Главная
Постоянное магнитное поле можно обнаружить: Тест: Магнитное поле. Электромагнитная индукция №2

Постоянное магнитное поле можно обнаружить: Тест: Магнитное поле. Электромагнитная индукция №2

Содержание

Магнитное поле можно обнаружить по его действию на А. магнитную стрелку; Б. неподвижно

два тіла одночасно кидають горизонтально з висоти 10 м з однаковими швидкостями 20 м/с у протилежних напрямках запишіть залежність від часу відстані м … іж тілами​

хлопчик, розігнавшись до швидкості 6 м/с горизонтальному стрибнув із крутого берега заввишки 2м у воду. Початок координат міститься в точці відриву хл … опчика від берега. Вертикальна вісь направлена вниз. Запишіть рівняння траєкторії руху хлопчика​

Точка совершает гармонические колебания с амплитудой 15 см и периодом 3 с. Укажите среднюю скорость точки (в СИ) во время ее движения от положения рав … новесия к смещению, равному половине амплитуды. Точка здійснює гармонічні коливання з амплітудою 15 см і періодом 3 с. Вкажіть середню швидкість точки (в СІ) під час її руху від положення рівноваги до зміщення, що дорівнює половині амплітуди.

Укажите, чему равна полная механическая энергия тела (в СИ), что осуществляет прямые колебания на пружине, если амплитуда колебания 5 см, а жесткость … пружины 1000 Н/м.

На концах и в середине длинной пружины жесткостью k – 60 Н/м закрелены три тела массой м1 = м2 = м и М = 2м, которые располагаются на гладком горизонт … альном столе. К телу массой М приложена горизонтальная внешняя сила F, модуль которой F = 20 Н. Найдите растяжение всей пружиныПолучил х=3F/4k , а в ответах х=3F/8k . Я растерян

Визначити вихідну напругу двокаскадного підсилювача, що працює від джерела напруги Ег=50мВ, з внутрішнім опорОм 200 Ом, вхідний опір пристрою 200 Ом, … якщо коефіцієнт підсилення першого каскаду 20 раз, а другого 10 раз:

На медное тело массой 3 кг погруженное в машинное масло действует выталкивающая сила чему она равна?

на медное тело массой 3 кг погруженное в машинное масло действует выталкивающая сила чему она равна?

Автомобиль массой 2т развивая мощность до 60 кВт , движется по горизонтальной дороге равномерно прямолинейно со скоростью 54км/ч. Вычислите коэффициен … т трения колес о дорогу g=10м/с²​

В якому випадку коефіцієнт пульсацій найменший

Тест по физике «Магнитное поле» 9 класс

Тест по физике «Магнитное поле» 9 класс

1.  Магнитное поле существует

1) только вокруг движущихся электронов
2) только вокруг движущихся положительных ионов
3) только вокруг движущихся отрицательных ионов
4) вокруг всех движущихся заряженных частиц

2. Выберите верное(-ые) утверждение(-я).

А: магнитное поле можно обнаружить по действию на магнитную стрелку
Б: магнитное поле можно обнаружить по действию на дви­жущийся заряд
В: магнитное поле можно обнаружить по действию на проводник с током

1) Только А
2) Только Б
3) Только В
4) А, Б и В

3.

 Направление магнитных линий в данной точке простран­ства совпадает с направлением

1) силы, действующей на неподвижный заряд в этой точке
2) силы, действующей на движущийся заряд в этой точке
3) северного полюса магнитной стрелки, помещенной в эту точку
4) южного полюса магнитной стрелки, помещенной в эту точку

4. Куда будет направлен южный конец маг­нитной стрелки, если ее поместить в маг­нитное поле, созданное полюсами постоян­ного магнита? ­

1) вверх
2) вниз
3) вправо
4) влево

5.  На рисунке указано направление магнит­ных линий поля, созданного полюсами постоянного магнита. Где находится юж­ный полюс постоянного магнита?

1) справа
2) слева
3) может быть справа, может быть слева
4) среди ответов нет правильного

6. Выберите верное(-ые) утверждение(-я).

А: магнитные линии замкнуты
Б: магнитные линии гуще располагаются в тех областях, где магнитное поле сильнее
В: направление силовых линий совпадает с направлени­ем северного полюса магнитной стрелки, помещенной в изучаемую точку

1) Только А
2) Только Б
3) Только В
4) А, Б и В

7. На рисунке представлены магнитные ли­нии поля. В какой точке этого поля на магнитную стрелку будет действовать минимальная сила?

1) 1
2) 2
3) 3
4) 4

8. Как выглядят магнитные линии однородного магнитного поля?

1) Магнитные линии параллельны друг другу, расположе­ны с одинаковой частотой
2) Магнитные линии параллельны друг другу, расположе­ны на разных расстояниях друг от друга
3) Магнитные линии искривлены, их густота меняется от точки к точке
4) Магнитные линии разомкнуты

9.  В разные точки однородного магнитного поля, созданного полюсами постоянного магнита, помещают магнитную стрелку. В какой точке на стрелку будет действовать макси­мальная сила?

1) 1
2) 2
3) 3
4) Сила везде одинакова

10. Какое направление имеет силовая линия магнитного поля, проходящая через точку А?

1) Влево
2) Вправо
3) На нас
4) От нас

  5. Конец формы

1. Обнаружение магнитного поля по его действию на электрический ток. Правило левой руки

Магнитное поле, как мы выяснили, — это особый вид материи, существующий независимо от нашего сознания. Магнитное поле можно изобразить с помощью линий магнитного поля. А можно ли обнаружить магнитное поле?

Соберём электрическую цепь. Пока ключ не замкнут, ничего с проводником не происходит. Если замкнуть ключ, проводник начнёт двигаться внутрь магнита. Если поменять полюса источника тока, проводник будет двигаться в противоположную сторону.

 

Рис. \(1\). Проводник без тока в магнитном поле

 

Рис. \(2\). Проводник с током в магнитном поле

 

Опыт демонстрирует воздействие магнитного поля на часть проводника, помещённого в поле подковообразного магнита.

  1. При отсутствии электрического тока в проводнике он висит неподвижно. Магнитное поле не воздействует на проводник.

  2. При замыкании ключа ток идёт от положительного полюса источника напряжения по красному проводу к проводнику. Поле постоянного магнита притягивает проводник. Проводник изменил своё положение.

Магнитное поле обнаруживается по его воздействию на проводник с током.

Движение проводника вызвано действием на него магнитного поля со стороны дугового магнита. Если поменять местами полюсы магнита, проводник меняет направление движения на противоположное.

Направление тока в проводнике, направление линий магнитного поля и направление силы, действующей на проводник с током, связаны между собой.

На проводник с током, находящимся в магнитном поле, действует сила Ампера, направление которой определяется правилом левой руки.

Правило левой руки для проводника с током

Если левую руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь перпендикулярно ей, а четыре пальца указывали направление тока, то отставленный большой палец покажет направление действующей на проводник силы Ампера.

Рис. \(3\). Правило левой руки

 

На направление тока указывает направление движения положительно заряженных частиц. На заряженные частицы, движущиеся в магнитном поле, действует сила Лоренца. Направление силы Лоренца также определяется по правилу левой руки.

Правило левой руки для заряженной частицы, движущейся в магнитном поле
Если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно ей, а четыре пальца были направлены по движению положительно заряженной частицы (или против движения отрицательно заряженной частицы), то отставленный большой палец покажет направление действующей на проводник силы.

Если заряженная частица движется вдоль линии магнитного поля, то сила со стороны магнитного поля не действует.

 

Электромагнитное поле 9 класс тест с ответами

Тесты по физике 9 класс. Тема: “Электромагнитное поле”

Правильный вариант ответа отмечен знаком +

1. При изменении (увеличении или уменьшении) числа линий магнитной индукции, пронизывающих замкнутый проводящий контур, происходит появление …

+ индукционного тока.

– электрического резонанса.

– короткого замыкания.

– ультрафиолетового излучения.

2. Неподвижные электрические заряды создают вокруг себя …

+ только электрическое поле.

– электромагнитное поле.

– только магнитное поле.

– и электрическое и магнитное поля.

3. При наличии переменного магнитного поля, в окружающем его пространстве, появляется …

+ вихревое электрическое поле.

– индукционный ток.

– постоянное электрическое поле.

– электромагнитные волны.

4. При наличии переменного электрического поля, в окружающем его пространстве, появляется …

+ вихревое магнитное поле.

– рентгеновское излучение.

– электромагнитное колебание.

– постоянное магнитное поле.

5. Для создания магнитного поля необходимо наличие …

+ движущихся зарядов (электрического тока) или переменного электрического поля.

– только движущихся зарядов (электрического тока).

– только переменного электрического поля.

– электромагнитных колебаний в окружающей среде.

6. Наличие магнитного поля в пространстве обнаруживается посредством …

+ его действия на движущиеся заряды (электрический ток) или магнитную стрелку.

– его действия только на движущиеся заряды (электрический ток).

– его действия только на магнитную стрелку.

– его действия только на металлическую рамку без тока.

7. Взаимно порождающие друг друга и связанные между собой вихревые электрическое и магнитное поля образуют – …

+ единое электромагнитное поле.

– сильное ультрафиолетовое излучение.

– поток заряженных частиц.

– поток нейтральных и заряженных частиц.

8. Наличие постоянного магнита приводит к появлению в пространстве вокруг себя …

+ только магнитного поля.

– только электрического поля.

– постоянных электрического и магнитного полей.

– переменного электромагнитного поля.

9. Не является характерным признаком, свойственным вихревому электрическому полю – …

+ источником являются электрические заряды.

– силовые линии замкнуты.

– источником является переменное магнитное поле.

– порождает вокруг себя переменное магнитное поле.

тест 10. Не является характерным признаком электростатического поля – …

+ источником является постоянное магнитное поле.

– силовые линии начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.

– источником являются неподвижные заряды.

– наличие в пространстве обнаруживается по действию на неподвижные заряды.

11. Отклонение магнитной стрелки, помещенной вблизи проводника с током, от первоначального положения в опыте Эрстеда, вызвано действием …

Опыт Эрстеда

+ магнитного поля.

– силы притяжения.

– электрического поля.

– суперпозиции электрического и магнитного поля.

12. Причина сильной аномалии поля земного магнетизма, связанная с необычным поведением магнитной стрелки, в районе Белгорода и Курска – …

+ залежи железной руды.

– активность космических частиц.

– электромагниты.

– движение ионов в воздухе.

13. Для наглядного изображения магнитного поля используют так называемые магнитные линии. Магнитные линии магнитного поля прямого проводника с током по форме имеют вид – …

+ концентрических окружностей, охватывающих проводник.

– замкнутых кривых вокруг этого проводника.

– прямых линий, параллельных проводнику.

– радиальных линий, отходящих от оси проводника.

Магнитные линии полосового магнита

14. В основе работы электродвигателя лежит явление…

+ взаимодействия рамки с током с магнитным полем.

– электростатического взаимодействия зарядов.

– взаимодействия магнитной стрелки с магнитным полем.

– взаимодействия рамки с током с электрическим полем.

15. Автор теории электромагнитного поля – …

+ Дж. Максвелл.

– М. Фарадей.

– П.Н. Яблочков.

– О. Кулон.

16. Существование электромагнитного поля было …

+ предсказано Максвеллом задолго до его экспериментального обнаружения.

– экспериментально обнаружено Герцем до появления теории Максвелла.

– предсказано Фарадеем, после открытия им явления электромагнитной индукции.

– обнаружено Эрстедом в опытах по взаимодействию проводника с током и магнитной стрелки.

17. Источником электромагнитного поля служит – …

+ ускоренно движущийся электрический заряд.

– ускоренно движущийся постоянный магнит.

– равномерно движущийся электрический заряд.

– неподвижный электрический заряд.

18. Электромагнитное поле распространяется в пространстве в виде …

+ поперечной электромагнитной волны.

– продольной электромагнитной волны.

– потока заряженных частиц.

– потока нейтральных частиц.

19. Вокруг прямолинейного проводника с постоянным током возникает …

+ магнитное поле.

– электромагнитное поле.

– гравитационное поле.

– электрическое поле.

тест-20. Переменное электрическое поле является вихревым, поскольку силовые линии …

+ замкнуты.

– начинаются и завершаются на отрицательных зарядах.

– у этого поля отсутствуют.

– начинаются и завершаются на положительных зарядах

21. Магнитная стрелка (северный полюс затемнен), которая может поворачиваться вокруг вертикальной оси, перпендикулярной плоскости чертежа, и постоянный магнит расположили так, как показано на рисунке. При этом стрелка …

Первоначальное расположение постоянного магнита и магнитной стрелки

+ сохранит свое первоначальное положение.

– повернется на 90° против часовой стрелки.

– повернется на 180°.

– повернется на 90° по часовой стрелке.

22. Стержень из закаленной стали будет намагниченным, т.е. станет постоянным магнитом, если …

+ создать вокруг него сильное магнитное поле.

– поднести его к заряженному телу.

– обмотать его металлической проволокой.

– нагреть его до 100 оС.

23. Стальная игла расположена между полюсами постоянного магнита. Через некоторое время игла намагнитилась. При этом на ее концах 1 и 2, соответственно, образуются: …

Игла между полюсами магнита

+ в точке 1 – южный полюс, в точке 2 – северный.

– в точке 1 – северный полюс, в точке 2 – южный.

– в точках 1 и 2 – северный полюс.

– в точках 1 и 2 – южный полюс.

24. Выберите верное (-ые) утверждение (-я).

А: наличие магнитного поля можно обнаружить по его действию на магнитную стрелку.

Б: наличие магнитного поля можно обнаружить по его действию на движущийся заряд.

В: наличие магнитного поля можно обнаружить по действию на проводник с током.

+ А, Б и В.

– Только А.

– Только Б.

– Только В.

25. Магнитные линии в данной точке пространства имеют направление, совпадающее с направлением …

+ северного полюса магнитной стрелки, помещенной в эту точку.

– южного полюса магнитной стрелки, помещенной в эту точку.

– силы, действующей на неподвижный заряд в этой точке.

– силы, действующей на движущийся заряд в этой точке.

26. Выберите верное (-ые) утверждение (-я).

А: магнитные линии замкнуты.

Б: магнитные линии гуще располагаются в тех областях, где значение индукции поля больше.

В: направление силовых линий совпадает с направлением северного полюса магнитной стрелки в этой точке.

+ А, Б и В.

– Только А.

– Только Б.

– Только В.

27. Согласно теории электромагнитного поля Максвелла

А: переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле.

Б: переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.

Выберите верное (-ые) утверждение (я).

+ Оба варианта: А, и Б.

– Только вариант А.

– Только вариант Б.

– Ни один из вариантов: ни А, ни Б.

28. Электротехническое устройство, в основе работы которого лежит явление возникновения индукционного тока – …

+ электрогенератор.

– электродвигатель.

– электромагнит в подъемном кране.

– вольтметр.

29. Проволочный прямоугольник подключен к источнику тока и помещён в однородное магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости рисунка. Сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник CD, направлена – …

Прямоугольный контур

+ вниз.

– влево.

– вправо.

– вверх.

тест_30. В момент появления тока в замкнутой цепи, которая содержит катушку индуктивности…

+ появляется индукционный ток, препятствующий увеличению значения тока.

– появляется индукционный ток, способствующий увеличению значения тока.

– не возникнет индукционного тока.

– возникнет индукционный ток, значение которого не зависит от характера изменения тока.

Магнитный метод (дефектоскопия) неразрушающего контроля

Магнитный контроль (МК) решает задачи, связанные с обнаружением дефектов внутри и на поверхности конструкций из ферромагнетиков (железо, кобальт, никель). Выявление флокенов, неметаллических включений, волосовин и прочих повреждений методами МК осуществимо, только когда они поверхностные или залегающие на глубине, не превышающей 2-3 мм.

В основе метода – регистрация и анализ магнитных полей рассеяния, образующихся вокруг ферромагнитных объектов после их намагничивания. О наличии дефектов свидетельствует перераспределение магнитных потоков, и формирование магнитных полей рассеяния над определенным местом.

Разновидности методов МК

Чтобы выявлять и фиксировать потоки рассеяния, указывающие на присутствие деформаций и повреждений, применяют несколько методов МК, различающихся в соответствии с ГОСТ 24450-80 по способам получения исходных данных:

  1. Магнитопорошковый – наиболее распространенный и востребованный метод. Отличающийся простотой применения, высокой сенсетивностью и универсальностью, он используется для обнаружения поверхностных и расположенных на глубине до 2 мм деформаций с помощью магнитного порошка в качестве индикатора
  2. Индукционный – основан на применении индукционных преобразователей (катушек), улавливающих локальные потоки возмущения поля, образующиеся над повреждениями намагниченного объекта контроля
  3. Магниторезисторный – использует магниторезистивные преобразователи для выявления и регистрации потоков рассеивания над деформациями намагниченного объекта контроля
  4. Магнитографический – использование записи магнитного поля исследуемого объекта на соответствующем носителе. Воспроизведение полученной сигналограммы анализируется для выявления дефектов
  5. Пондеромоторный – построен на пондеромоторном взаимодействии фиксируемого магнитного поля исследуемого объекта и магнитного поля постоянного магнита, электромагнита или рамки с током
  6. Феррозондовый – использование феррозондовых преобразователей для обнаружения и регистрации рассеяния магнитных полей сварочных швов и прочих исследуемых объектов
  7. Метод эффекта Холла – применение одноименных преобразователей для фиксации локальных возмущений полей над объектами контроля
Основой всех методов МК является обнаружение локальных возмущений поля, образуемых повреждениями намагниченного ферромагнетика. Магнитный поток перемещается по исследуемому объекту, создавая над обнаруженными дефектами поля рассеяния. Их форма и амплитуда отражают размер, параметры и глубину залегания разрушений

Выявляемые дефекты

Методы МК впервые были использованы в 19 веке. С их помощью оценивали прочность, а также структурное состояние ружейных затворов и оболочек разрывных снарядов. С тех пор успели сформироваться три основные сферы МК:

  • Контроль сплошностей в ферромагнетиках
  • Оценка прочности и структурного состояния ферромагнитных сталей и сплавов
  • Определение фаз в конкретном сплаве

Контроль качества магнитными методами дает возможность выявлять повреждения, обладающие характеристиками:

  • Брак с шириной раскрытия на поверхности обследуемого участка от 0,002 мм при глубине от 0,01 мм
  • Крупные внутренние дефекты, залегающие на глубине от 2 мм
  • Поверхностные повреждения глубиной до 2 мм
  • Брак под немагнитным покрытием толщиною до 0,25 мм

Сегодня магнитный контроль востребован практически во всех промышленных отраслях:

  • Нефтехимия
  • Металлургия
  • Машиностроение
  • Энергетика (ТЕЦ, АЭС)
  • НГК (трубопроводы, промышленные емкости)
  • Авиа-, судо- и автомобилестроение
Грамотное применение методов МК позволяет на ранней стадии выявлять и устранять поверхностные и углубленные повреждения ферромагнетиков

Особенности технологии МК

Метод МК не требует специальной предварительной подготовки, поскольку является бесконтактным. Его суть заключается в анализе поля рассеяния, образующегося в местах скопления дефектов при намагничивании исследуемых объектов.

Проведение МК регулируется национальными и международными стандартами, включая, ГОСТ 21105-87, РД-13-05-2006 и EN 1290:1998.

  1. Магнитная проницаемость несплошности гораздо ниже, чем у остальной части исследуемого объекта. Ее наличие искривляет магнитные силовые линии. Некоторые из них выходят на поверхность пораженного участка, чтобы обойти повреждение и образуют локальный магнитный поток рассеяния
  2. Возникновение полей возмущения фиксируется магнитными преобразователями, среди которых наиболее распространены датчик Холла и его индукционные, феррозондовые, и магниторезистивные вариации
  3. Мероприятия контроля завершаются размагничиванием каждой используемой детали в поле солеонида, питаемого переменным током

Бесконтактный магнитный контроль чаще всего применяют в диагностике:

  • Магистральных трубопроводов:
  • Отдельных труб с любым диаметром
  • Прокатных листов
  • Арматуры
  • Вертикальных стальных резервуаров

Проведение аттестации и обучение специалистов по неразрушающему контролю

Приборы и оборудование

Для намагничивания контролируемых объектов используют стационарные и портативные магнитные дефектоскопы. Первые позволяют с высокой точностью выявлять поверхностные и более глубокие повреждения любой направленности, вторые – контролировать объекты в полевых условиях.

Недостаток диагностических магнитных дефектоскопов заключается в узкой направленности и требовательности к температурному режиму. Для получения более корректных результатов эксперты рекомендуют использовать многоканальную модель с функцией ультразвукового анализа.

  1. Работа прибора начинается его калибровкой с проверкой по эталонам и очищением поверхности контролируемой детали
  2. Намагничивание детали в соответствии с типом намагничивания и параметрами чувствительности
  3. Нанесение индикаторного вещества
  4. Визуальный осмотр детали с возможностью фиксации индикаторного рисунка для дальнейшего анализа с помощью многофункционального дефектоскопа

На основании сравнения полученных рисунков с нормативными образцами делают заключение о возможности целевого применения исследуемого объекта.

Отправьте заявку на исследование магнитным методом контроля

Благодарственные письма наших клиентов

Среди наших клиентов

Самостоятельная работа по физике Магнитное поле 9 класс

Самостоятельная работа по физике Магнитное поле 9 класс с ответами. Самостоятельная работа по физике включает 2 варианта, в каждом по 5 заданий.

Вариант 1

1. Чем создается магнитное поле? Как его можно обнаружить?

2. С помощью чего можно наглядно показать магнитное поле?

3. В одном месте магнитные линии расположены гуще, чем в другом. Какой вывод о величине магнитного поля можно сделать на основании этого?

4. На рисунке указано положение магнитных линий поля, созданного полюсами постоянного магнита. Определите направление этих линий.

5. Для определения направления магнитной линии в точку А поместили магнитную стрелку. Какое направление имеет магнитная линия в точке А?

Вариант 2

1. Магнитная стрелка, поднесенная к проводнику, отклонилась. О чем это свидетельствует?

2. Как определить направление магнитной линии с помощью магнитной стрелки?

3. Как с помощью магнитных линий определить, в каком месте величина поля больше?

4. На рисунке указано направление магнитных линий поля, созданного полюсами постоянного магнита. Где находится южный полюс постоянного магнита?

5. Какое направление имеют магнитные линии внутри магнита, изображенного на рисунке?

Ответы на самостоятельную работа по физике Магнитное поле 9 класс
Вариант 1
1. Магнитное поле создается током заряженных частиц. Если магнитное поле существует, то внесённая в него магнитная стрелка начнет поворачиваться.
2. Магнитное поле можно показать с помощью железной стружки, которая будет располагаться вдоль магнитных линий.
3. Где магнитные линии расположены гуще, там магнитная индукция поля больше.
4. Вниз
5. Вправо
Вариант 2
1. Свидетельствует о наличии магнитного поля вокруг проводника
2. Ось магнитной стрелки располагается по касательной к магнитной линии.
3. Где магнитные линии расположены гуще, там магнитная индукция поля больше.
4. Справа
5. Влево

Увидеть головной мозг- УЗИ и МРТ головного мозга. – СПб ГБУЗ КДЦД

В настоящее время существует ряд методик, с помощью которых можно «заглянуть» в святое святых – головной мозг человека. И первая – в буквальном смысле этого слова, так как может быть применена в первый же день жизни – это УЗИ. Нейроснография или ультразвуковое исследование головного мозга позволяет «увидеть» строение мозга, наличие врожденных нарушений его структуры, оценить размер желудочков, содержащих спинномозговую жидкость (ликвор). Задача исследования – выявить и оценить изменения, определить необходимость последующего мониторинга. Для УЗИ головного мозга на первом году жизни есть естественный доступ – большой родничок, через который и проводится это исследование. Однако и после его закрытия возможна оценка структур мозга по специально разработанной методике – через места, где соединяются кости черепа, например, через височную кость, или через затылок, где расположено большое затылочное отверстие. Особенно важно это исследование для детей первого года жизни, так как позволяет выявить изменения, во многом влияющие на психо-моторное развитие ребенка, его неврологический статус. К этим изменениям относятся различные проявления гипоксии плода и гипоксии в родах. Выполнять УЗИ головного мозга (как и другой вид УЗИ) можно так часто, как это необходимо врачу и назначено вашему ребенку, поскольку ультразвуковая волна не является повреждающим фактором и безвредна для пациента. Современная ультразвуковая аппаратура, на которой работают высококвалифицированные врачи Центра, позволяет выявлять любые изменения структуры головного мозга, чтобы помочь неврологам установить точный диагноз вашему ребенку.

Другой метод, позволяющий «увидеть» головной мозг – это магнитно-резонансная томография или МРТ. Метод МРТ основывается не на видах излучения (например, ионизирующем излучении), используемых для рентгена или компьютерной томографии (КТ), а на мощном, постоянном магнитном поле и быстро меняющихся локальных магнитных полях и радиочастотной энергии. В МРТ используется специальная аппаратура, включая мощный компьютер, чтобы создать очень четкие изображения. Во время МРТ пациент находится в томографе, при этом мощное постоянное магнитное поле выравнивает небольшую часть субатомных частиц, называемых протонами, в тканях организма. Радиочастотная энергия применяется, чтобы заставить эти протоны производить сигналы, которые собирает приемник в сканере. С помощью большого количества изменяющихся сигналов и локального магнитного поля, а также их компьютерной обработки, получаются изображения, в частности, головного мозга.

Выполняется МРТ головного мозга, в основном, по назначению  невролога для исключения врожденных аномалий, наличия или последствий травматических повреждений (в том числе, родовых), выявления воспалительных и демиелинизирующих заболеваний. И, конечно, одна из задач МРТ головного мозга – исключить наличие объемных образований (опухолей). МРТ головного мозга также может быть сделана, чтобы предоставить больше информации о проблеме, которую обнаружили на УЗИ. Однако для проведения МРТ есть ряд ограничений. И в первую очередь, это необходимость неподвижности ребенка во время исследования, которая может быть достигнута в том числе и при введении пациента в наркотический сон. У нас в Центре МРТ головного мозга проводится детям после 4-5 лет, в том случае, если ребенок может лежать, не двигаясь, около 20 минут. Мы выполняем МРТ детям без наркоза в томографе открытого типа. А это значит, что наш томограф не имеет тоннеля и подходит для проведения исследования детям, которые боятся находиться в замкнутом пространстве. Рядом с ребенком во время исследования может находиться мама.

Таким образом, для постановки диагноза неврологи нашего Центра имеют современные лучевые методики, которые быстро и точно помогают установить причину проблем вашего ребенка.

Как измерить магнитное поле?

Может, стоит включить пару уравнений. Во-первых, две силы, действующие на электрический заряд, можно записать как силу Лоренца.

Да, это векторное произведение магнитной части силы. Кроме того, если у вас есть электрическое поле, изменение электрического потенциала между двумя точками будет:

Если электрическое поле является постоянным как по направлению, так и по величине, то величина изменения электрического потенциала будет просто E * с .

Теперь мы готовы к датчику Холла. Вот небольшой кусок материала с током, помещенный в магнитное поле. Поле будет направлено на экран. Самый простой способ показать этот тип вектора – представить его как «X». Думайте о «X» как о конце стрелки (перья). Позвольте мне просто показать один движущийся электрон в этом материале.

Поскольку ток направлен вверх, скорость электронов будет уменьшаться (отрицательный заряд).Однако произведение на и на будет вверх, поскольку заряд отрицательный. Магнитная сила на этом заряде будет слева. Обратите внимание, что эта сила перпендикулярна как скорости, так и магнитному полю.

Что эта магнитная сила делает с движущимся электроном в токе? Ясно, что он не будет двигаться по прямой в направлении течения. Вместо этого электрон будет изгибаться влево. Если все эти электроны в токе изгибаются влево, в конечном итоге на левой стороне этого материала будут избыточные отрицательные заряды.
Поскольку материал имеет общий нейтральный заряд, на правой поверхности также должны быть положительные заряды.

В конечном итоге материал будет выглядеть так (я просто нарисую один вектор магнитного поля):

Это изображение немного сложнее, чем я хотел, но вот ключевые моменты:

  • Поверхность заряд накапливается сбоку из-за магнитной силы, действующей на движущиеся носители заряда.
  • Этот поверхностный электрический заряд создает электрическое поле.
  • Электрическое поле (из-за боковых поверхностных зарядов – также существует электрическое поле, которое вызывает ток) оказывает силу на движущиеся заряды.
  • Заряды на боковых поверхностях будут накапливаться до тех пор, пока не появится боковая электрическая сила, которая нейтрализует магнитную силу, и электроны снова не начнут двигаться в направлении провода.
  • Это электрическое поле также означает изменение электрического потенциала в материале (которое мы можем измерить).

Если вы знаете размер материала и скорость электронов (технически называемую скоростью дрейфа), то я могу установить магнитную силу равной боковой электрической силе.

Изменение электрического потенциала (поперек материала) можно измерить с помощью вольтметра. Если поперечное электрическое поле постоянно, то:

И это дает вам магнитное поле. Конечно, вам все еще нужна скорость дрейфа электронов, но вы можете получить ее, если знаете тип материала и величину электрического тока. Как насчет обзора?

  • Поместите материал в магнитное поле.
  • Пропустите ток через этот материал.
  • Магнитное поле будет создавать “боковое” изменение электрического потенциала в материале, которое вы можете измерить.
  • Используя это изменение потенциала и размера материала, вы получите величину магнитного поля.

Но подождите! У вас нет магнитного поля. Вы получаете составляющую магнитного поля, перпендикулярную датчику. В iPhone (я почти уверен) есть три датчика, так что вы можете получить все три компонента магнитного поля Земли и, таким образом, определить направление магнитного поля.

Конечно, существуют и другие методы измерения магнитного поля, но это два варианта, к которым у вас, вероятно, есть легкий доступ. Я покажу, как вы можете использовать эти методы, чтобы посмотреть на силу различных магнитов, но в более позднем посте.

Влияние магнитных полей на электрическое сопротивление

Известно, что сопротивление (R) висмутового провода, измеренное постоянным током, увеличивается под действием магнитного поля, и это увеличение зависит от напряженность поля и его направление относительно силы тока в проводе.Если ток, протекающий через висмут, является колебательным, сопротивление имеет значение O вне магнитного поля или в поле, в котором силовые линии параллельны проводу, которое меньше R. силовые линии поля более 6000 сГс ед. сопротивление O больше R; разница O – R увеличивается с этой точки довольно быстро по мере увеличения напряженности поля. Эти изменения не связаны с изменениями в самоиндукции, поскольку они не зависят от формы висмутовой спирали.Это любопытное явление недавно было исследовано М. И. Садовским ( Journal de la Socitte Physico-Chemique de Russe , xxvi, 1894 г. и Journal de Physique , апрель 1895 г.), который подводит итоги своих экспериментов следующим образом: ( 1) Разница в сопротивлении Дисмута, наблюдаемая при постоянном или переменном токе, может быть измерена вне магнитного поля с частотой 300 колебаний в секунду и может быть обнаружена в магнитных полях только с тремя или четырьмя колебаниями в секунду; (2) эта разница зависит от числа колебаний в секунду и без учета магнитного поля увеличивается с увеличением частоты колебаний; (3) сопротивление, которое висмут в сильном магнитном поле оказывает увеличивающемуся току, больше, а сопротивление уменьшающемуся току меньше, чем сопротивление для установившихся токов.Разница между сопротивлением возрастающему и уменьшающемуся току увеличивается со скоростью изменения силы тока ( d C \ dt ), и эта разница более заметна при сильном токе, чем при слабом. Таким образом, М. Садовский обнаружил тот замечательный факт, что для переменных электрических токов сопротивление висмута изменяется при любом изменении 1 / C или d C / dt , где C – ток C dt. Автор отмечает, что наблюдаемые эффекты не могут быть следствием самоиндукции, иначе они возникли бы, когда висмут не находится в магнитном поле.В примечании к вышеупомянутой статье в журнале Journal de Physique М. Саньяк рассматривает, что могло бы произойти, если бы та же серия экспериментов была повторена с железной проволокой. Прямая цилиндрическая железная проволока при прохождении через нее током C намагничивается по кругу; энергия из-за этого намагничивания, согласно Кирхгофу, составляет ππ l C 2 , где K – восприимчивость, а l – длина провода. Эта энергия может увеличить коэффициент самоиндукции на ππ l .По данным Klemeni можно рассчитать порядок изменения кажущегося сопротивления. Для слабых магнитных полей, в которых значение K имеет большое значение, разница между значением кажущегося сопротивления для установившихся токов и для возрастающих токов может составлять несколько сотых значения сопротивления для установившихся токов.

Магнитная сила на проводнике с током – University Physics Volume 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Определить направление, в котором токоведущий провод испытывает силу во внешнем магнитном поле
  • Вычислить силу, действующую на токоведущий провод во внешнем магнитном поле

Движущиеся заряды испытывают силу в магнитном поле.Если эти движущиеся заряды находятся в проводе, то есть если по проводу течет ток, на провод также должна воздействовать сила. Однако, прежде чем обсуждать силу, действующую на ток со стороны магнитного поля, мы сначала исследуем магнитное поле, создаваемое электрическим током. Здесь мы изучаем два отдельных эффекта, которые тесно взаимодействуют: провод с током создает магнитное поле, а магнитное поле оказывает силу на провод с током.

Магнитные поля, создаваемые электрическим током

Обсуждая исторические открытия в области магнетизма, мы упомянули открытие Эрстеда о том, что провод, по которому проходит электрический ток, вызывает отклонение расположенного рядом компаса.Было установлено, что электрические токи создают магнитные поля. (Эта связь между электричеством и магнетизмом более подробно обсуждается в Источниках магнитных полей.)

Стрелка компаса рядом с проволокой испытывает силу, которая выравнивает касательную иглы к окружности вокруг проволоки. Следовательно, токоведущий провод создает кольцевые петли магнитного поля. Чтобы определить направление магнитного поля, создаваемого проводом, мы используем второе правило правой руки. В RHR-2 ваш большой палец указывает в направлении тока, а ваши пальцы охватывают провод, указывая в направлении создаваемого магнитного поля ((Рисунок)).Если магнитное поле попадало на вас или выходило за пределы страницы, мы обозначаем это точкой. Если бы магнитное поле входило в страницу, мы представляем это с помощью этих символов. Эти символы появляются из рассмотрения векторной стрелки: стрелка, направленная к вам, с вашей точки зрения, будет выглядеть как точка или кончик стрелки. Стрелка, направленная от вас, с вашей точки зрения будет выглядеть как крест или составной эскиз магнитных кругов, показанный на (Рисунок), где показано, что напряженность поля уменьшается по мере удаления от провода петлями, которые дальше разделены.

(a) Когда проволока находится в плоскости бумаги, поле перпендикулярно бумаге. Обратите внимание на символы, используемые для поля, указывающего внутрь (например, хвоста стрелки), и поля, указывающего наружу (например, кончика стрелки). (б) Длинный и прямой провод создает поле с силовыми линиями магнитного поля, образующими кольцевые петли.

Расчет магнитной силы

Электрический ток – это упорядоченное движение заряда. Следовательно, провод с током в магнитном поле должен испытывать силу, создаваемую этим полем.Чтобы исследовать эту силу, давайте рассмотрим бесконечно малое сечение провода, как показано на (Рисунок). Длина и площадь поперечного сечения секции составляют дл и A соответственно, поэтому ее объем равен. Проволока сформирована из материала, который содержит n носителей заряда на единицу объема, поэтому количество носителей заряда в сечение: Если носители заряда движутся со скоростью дрейфа, ток в проводе I равен (от Current and Resistance)

Магнитная сила на любом отдельном носителе заряда такова, что общая магнитная сила на носителях заряда в сечении провода составляет

Мы можем определить dl как вектор длиной dl , указывающий вдоль, что позволяет нам переписать это уравнение как

или

Это сила магнитного поля на отрезке провода.Обратите внимание, что на самом деле это результирующая сила, действующая со стороны поля на сами носители заряда. Направление этой силы задается RHR-1, где вы указываете пальцами в направлении тока и сгибаете их к полю. Затем ваш большой палец указывает в направлении силы.

Бесконечно малое сечение токоведущего провода в магнитном поле.

Чтобы определить магнитную силу на проводе произвольной длины и формы, мы должны интегрировать (рисунок) по всему проводу.Если сечение провода прямое, а B однородный, дифференциалы уравнения становятся абсолютными величинами, что дает нам

Это сила, действующая на прямой провод с током в однородном магнитном поле.

Уравновешивание гравитационных и магнитных сил на токоведущем проводе Провод длиной 50 см и массой 10 г подвешен в горизонтальной плоскости на паре гибких проводов ((Рисунок)). Затем на проволоку действует постоянное магнитное поле величиной 0.50 Т, который направлен, как показано. Каковы величина и направление тока в проводе, необходимые для снятия напряжения в опорных выводах?

(а) Проволока, подвешенная в магнитном поле. (б) Схема свободного тела для проволоки.

Стратегия Из диаграммы свободного тела на рисунке видно, что натяжения в опорных выводах стремятся к нулю, когда гравитационная и магнитная силы уравновешивают друг друга. Используя RHR-1, мы обнаруживаем, что магнитная сила направлена ​​вверх. Затем мы можем определить ток I , приравняв две силы.

Решение Приравняйте две силы веса и магнитной силы, действующие на провод:

Таким образом,

Значение Это большое магнитное поле создает значительную силу на длине провода, чтобы противодействовать его весу.

Расчет магнитной силы на токоведущем проводе По длинному жесткому проводу, расположенному вдоль оси y , проходит ток 5,0 А, текущий в положительном направлении y . (a) Если постоянное магнитное поле величиной 0,30 Тл направлено вдоль положительной оси x , какова магнитная сила на единицу длины на проводе? (б) Если постоянное магнитное поле 0.30 T направлено на 30 градусов от оси + x к оси + y , какова магнитная сила на единицу длины на проводе?

Стратегия Магнитная сила, действующая на провод с током в магнитном поле, определяется как В части а, поскольку в этой задаче ток и магнитное поле перпендикулярны, мы можем упростить формулу, чтобы получить величину и найти направление через RHR-1. Угол θ составляет 90 градусов, что означает, что длина также может быть разделена на левую часть, чтобы найти силу на единицу длины.Для части b текущая длина, умноженная на длину, записывается в обозначении единичного вектора, а также магнитное поле. После взятия перекрестного произведения направленность очевидна по результирующему единичному вектору.

Решение

  1. Начнем с общей формулы магнитной силы на проводе. Мы ищем силу на единицу длины, поэтому мы делим ее на длину, чтобы вывести ее в левую часть. Мы также устанавливаем Решение, следовательно,


    Направленность: Укажите пальцами в положительном направлении y и согните пальцы в положительном направлении x .Ваш большой палец укажет в направлении. Следовательно, с учетом направленности решение будет

  2. Текущее значение, умноженное на длину, и магнитное поле записываются в виде единичного вектора. Затем возьмем векторное произведение, чтобы найти силу:

Значение Это большое магнитное поле создает значительную силу на небольшой длине провода. По мере того, как угол магнитного поля становится более близким к току в проводе, на него действует меньшая сила, как видно из сравнения частей a и b.

Проверьте свое понимание Прямой гибкий медный провод погружается в магнитное поле, направленное внутрь страницы. (а) Если ток в проводе течет в направлении + x , в каком направлении будет изгибаться провод? (b) В какую сторону изгибается провод, если ток течет в направлении – x ?

а. наклоняется вверх; б. наклоняется вниз

Сила на круглом проводе Круговая токовая петля радиусом R , по которой проходит ток I , расположена в плоскости xy .Постоянное однородное магнитное поле прорезает петлю параллельно оси y ((рисунок)). Найдите магнитную силу на верхней половине петли, нижней половине петли и общую силу на петле.

Петля из проволоки, по которой течет ток в магнитном поле.

Стратегия Магнитная сила на верхнем контуре должна быть записана в терминах дифференциальной силы, действующей на каждый сегмент контура. Если мы интегрируем по каждому дифференциальному элементу, мы решаем общую силу на этом участке петли.Сила, действующая на нижнюю петлю, определяется аналогичным образом, а общая сила складывается из этих двух сил.

Решение Дифференциальная сила на произвольном куске проволоки, расположенном на верхнем кольце, составляет:

где – угол между направлением магнитного поля (+ y ) и отрезком провода. Дифференциальный сегмент расположен на том же радиусе, поэтому, используя формулу длины дуги, мы имеем:

Чтобы найти силу на сегменте, мы интегрируем по верхней половине круга от 0 до. В результате получаем:

Нижняя половина цикла интегрирована от нуля до нуля, что дает нам:

Чистая сила – это сумма этих сил, равная нулю.

Значение Полная сила, действующая на любой замкнутый контур в однородном магнитном поле, равна нулю. Несмотря на то, что каждая часть петли имеет силу, действующую на нее, результирующая сила, действующая на систему, равна нулю. (Обратите внимание, что на петле есть чистый крутящий момент, который мы рассмотрим в следующем разделе.)

Влияние чрезвычайно низкочастотного переменного магнитного поля на поведение животных в присутствии геомагнитного поля

Известно, что геомагнитное поле может влиять на миграцию животных и их возвращение в исходное положение.Обнаружение магнитного поля животными известно как магниторецепция, и это возможно благодаря двум различным механизмам трансдукции: первый – через магнитные наночастицы, способные реагировать на геомагнитное поле, а второй – через химические реакции под влиянием магнитных полей. Другое поведение – это магнитное выравнивание, при котором животные выравнивают свои тела по геомагнитному полю. Было замечено, что магнитное выравнивание крупного рогатого скота может быть нарушено вблизи линий электропередач по всему миру.Экспериментально известно, что переменные магнитные поля могут влиять на живые существа, но точный механизм неизвестен. Модель параметрического резонанса предлагает механизм, объясняющий этот эффект на живых существ, и устанавливает, что в присутствии постоянного магнитного поля молекулы, связанные с биохимическими реакциями внутри клеток, могут поглощать резонансно переменные магнитные поля с определенными частотами. В данной статье рассматривается магниторецепция животных и влияние переменных магнитных полей на живые существа.Предполагается, как переменные магнитные поля могут мешать магнитному расположению животных, и делается общий вывод: загрязнение переменного магнитного поля может влиять на магнитную чувствительность животных.

1. Введение

Живые существа чувствительны к магнитным полям. Для магнитных полей высокой интенсивности становится важным молекулярный диамагнетизм, и при соответствующих условиях можно наблюдать левитацию [1]. Интересно задать вопрос о взаимодействии живых существ с магнитными полями, интенсивность которых равна или ниже геомагнитного поля.В этом случае живые существа могут обнаруживать (ощущать) статические магнитные поля через специализированные структуры или органы, или на них могут влиять временные изменения этих магнитных полей. Магнитные поля, амплитуда которых не меняется во времени, называются постоянными магнитными полями. Переменные магнитные поля (AMF) – это поля, амплитуды которых меняются во времени. Геомагнитное поле (ГМП) представляет собой постоянную и переменную составляющие. Сумма постоянного и переменного магнитных полей называется комбинированным магнитным полем (CMF).Целью данной статьи является описание вышеупомянутых ситуаций для обнаружения геомагнитного поля и для искусственных переменных магнитных полей, колеблющихся на частотах ниже 100 Гц, с учетом амплитуд магнитного поля в диапазоне мкм Тл и ниже, заканчивается предположением о связи обоих механизмов в процессе магниторецепции животных.

2. Геомагнитное поле

Живые существа рождаются и растут в присутствии нескольких физических полей, таких как гравитационное и геомагнитное поля.В некотором роде на живые существа влияют физические характеристики ГМП из-за долгого времени их взаимоотношений, поскольку ГМП столь же древний, как начало жизни [2]. Вектор ГМП может быть охарактеризован тремя параметрами: амплитудой, наклоном (относительно вертикального направления) и склонением (относительно географической оси север-юг). Эти значения зависят от географических координат и могут быть рассчитаны с помощью геомагнитных калькуляторов, таких как тот, который доступен в Национальном центре геофизических данных NOAA-США (http: // www.ngdc.noaa.gov/geomag-web/#igrfwmm). Целью данной статьи не является обсуждение общих характеристик ГМП, поскольку существует множество учебников и обзорных статей (например, [3]).

ГМП генерируется в основном внутри Земли, и внешние магнитные поля, генерируемые в магнитосфере и внешнем пространстве, также вносят свой вклад. Основной вклад в ГМП можно понять как результат наличия магнитного диполя в недрах Земли, но ГМП не является полностью дипольным.Некоторые области на поверхности Земли имеют аномальные значения ГМП, отличные от ожидаемых от диполярного [3]. В среднем амплитуда ГМП составляет около 50 мкм Тл, а примером аномалии является геомагнитная аномалия в Южной Атлантике (в настоящее время находится в Бразилии), где амплитуда ГМП является самой низкой в ​​мире и составляет около 22 мкм Тл. [4].

Во временном режиме параметры ГМП изменяются за большие промежутки времени (от сотен до тысяч лет).Эти вариации известны как вековые вариации [3]. ГМП также представляет быстрые вариации во время геомагнитных бурь с типичными частотами от 0,001 Гц до 10 Гц [5] и суточные вариации с 12-часовым периодом, который соответствует часам дневного света [6]. Приемлемо предположить, что по причинам эволюции живые существа нечувствительны к вековым изменениям, потому что эти периоды превышают максимальную продолжительность жизни любого живого существа. С другой стороны, живые существа должны быть чувствительны к быстрым и ежедневным изменениям.

К геомагнитному полю добавляются искусственные магнитные поля, возникающие из линий электропередач, домашних электрических цепей и приборов, проводящих переменные электрические токи с частотой 50 или 60 Гц, производящие AMF с амплитудами порядка сотен нТл. Эти поля имеют период около 17 мс, что очень мало по сравнению с естественным изменением ГМП (12 часов для суточного хода и около минут или часов для геомагнитных бурь). Но даже в этом случае экспериментальные наблюдения показали, что AMF на очень низких частотах могут изменять поведение животных [7–10].

3. Обнаружение ГМП
3.1. Экспериментальные доказательства

Первым доказательством того, что ГМП может влиять на живые существа, было открытие магнитотактических бактерий. Их впервые наблюдал Сальваторе Беллини в 1963 г. [11, 12], а затем Блейкмор в 1975 г. [13]. Магнитотактические бактерии – это микроорганизмы, обладающие способностью выравнивать направление своего плавания с линиями геомагнитного поля, способность, известная как магнитотаксис. Для этого они биоминерализуют магнитные минералы в органеллах, известных как магнитосомы [14].Типичные магнитные минералы, обнаруженные в магнитотактических бактериях, представляют собой наночастицы (средний размер от 50 до 100 нм) магнетита (Fe 3 O 4 ) или грейгита (Fe 3 S 4 ), обычно в форме геометрического кубооктаэдра. , кубики или даже пулевидные формы [14]. Магнитосомы организованы в цитоплазме в цепочки. Эти цепи сообщают бактериям магнитный момент, который позволяет им ориентироваться в движении. Эти бактерии могут быть найдены в виде кокков, вибрионов, спирилл или даже многоклеточных форм, известных как многоклеточные магнитотактические прокариоты [15].Они встречаются в водных отложениях, таких как морская среда, реки и озера. Считается, что магнитотактические бактерии используют свою магнитную способность, чтобы легко проникать в более глубокие отложения, в местах, где концентрация кислорода для них оптимальна [16].

Магнитные наночастицы в цепочках магнитосом характеризуются как одиночные домены, что означает, что магнитный момент стабилен во времени и при изменении температуры, в отличие от суперпарамагнитных частиц [17]. В популяциях магнитотактических бактерий воздействие осциллирующих сильных магнитных полей (более 10 5 μ Тл, 50 или 60 Гц) вызывает инверсию направления магнитного момента примерно у 50% популяции, что согласуется с идеей, что магнитосомы являются однодоменными [18].Наблюдение за взаимодействием магнитотактических бактерий с ГМП через магнитные наночастицы подтолкнуло к идее, что животные должны обнаруживать ГМП, используя аналогичный механизм. У животных хорошо задокументировано использование векторной информации от ГМП в задачах ориентации и навигации, эта способность известна как магниторецепция [19]. Несколько лабораторных экспериментов показали, что социальные насекомые, такие как пчелы и муравьи, могут использовать информацию магнитного поля в задачах ориентации [20]. У перелетных птиц на выбор направления полета влияет местный ГМП [21].Другое явление, которое недавно вызвало новый интерес, – это магнитное выравнивание [22], которое связано с выравниванием оси тела по линиям ГМП или к горизонтальной составляющей ГМП. Во-первых, он был обнаружен у термитов, пчел и плодовых мух [19]. Но это привлекло внимание, когда такое же поведение было выявлено у коров и оленей [23]. Также ориентацию оси тела к линиям ГМП у карпа можно наблюдать в стоячей воде в резервуарах [24].

Анализ миграции и возвращения в исходное положение у животных и их корреляция с различными магнитными стимулами позволяет идентифицировать два механизма магнитной ориентации [25]: (a) Компас полярности: в этом случае животное может ощущать горизонтальный компонент ГМП, как компас , чтобы выяснить направление магнитного севера и использовать эту информацию в задачах ориентации, которые, скорее всего, будут использоваться животными при поиске пищи и миграциях на короткие расстояния.(b) Компас наклона: животное ощущает вертикальную составляющую ГМП. Это чувство позволяет животному определять полушарие Земли и направление к геомагнитному экватору, что, скорее всего, будет использоваться животными при миграции на большие расстояния.

Эксперименты, проведенные с черепахами и птицами [26], показали, что животные каким-то образом используют параметры геомагнитного поля, чтобы узнать свое географическое положение на Земле. Чтобы объяснить такое поведение, была предложена модель магнитной карты животных. Точные параметры, используемые на этой карте, неизвестны, и предполагается, что это могут быть геомагнитное наклонение и интенсивность [27].

У разных видов птиц и других животных наблюдалось, что в некоторых случаях магниторецепция происходит просто в присутствии света, явление, известное как светозависимое магниторецепция [28, 29]. Этот вид магнитного обнаружения зависит также от длины волны, наблюдаемой у птиц, эффективной ориентации для коротких волн (<500 нм) и дезориентации для длинных волн (> 500 нм) [30]. В некоторых случаях светозависимый магниторецептор находится в глазах, а у некоторых птиц есть латеральность в глазу с функцией магниторецепции [31, 32].У других животных магниторецепция экстраокулярная [33].

3.2. GMF Transduction

До настоящего времени считалось, что магниторецепция обусловлена ​​двумя возможными механизмами: трансдукцией через магнитные наночастицы или трансдукцией через светозависимые химические реакции с участием радикальных интермедиатов [34].

Преобразование через магнитные наночастицы, также известное как ферромагнитная гипотеза, было основано на существовании магнитотактических бактерий. Это предполагает, что должен существовать специализированный орган или структура, способная обнаруживать магнитные поля [35].Внутри этого органа должны быть магнитные наночастицы, образующие цепочки или другую структуру, способную генерировать механические крутящие моменты или другие динамические эффекты в присутствии магнитных полей. Взаимодействие этих магнитных наночастиц с магнитным полем должно производить соответствующий клеточный сигнал, например, посредством механотрансдукции магнитного момента. Поскольку магнитные свойства магнитных наночастиц зависят от размера, были предложены различные возможности для суперпарамагнитных и однодоменных наночастиц.Однако во всех случаях важным моментом является то, что создаваемые крутящие моменты и деформации должны быть механически преобразованы [36]. Ферромагнитную гипотезу можно проверить путем измерения намагниченности или изоляции магнитных наночастиц от тех частей тела, где, как ожидается, должен находиться магнитный датчик. Магнитные наночастицы были изолированы, в частности, из голов и антенн муравьев [37], тел термитов [38], носов форели [39, 40] и верхних клювов птиц [41]. Намагниченность была измерена у насекомых [20] и боковой линии у рыб [42–44], среди других.Во всех этих случаях существует корреляция между наличием магнитного материала и магниторецепцией у животного, что усиливает ферромагнитную гипотезу.

В случае светозависимой магниторецепции считается, что механизм связан со светочувствительными химическими реакциями с участием радикальных интермедиатов [45]. Этот механизм известен как механизм радикальной пары (RPM). Некоторые свидетельства предполагают, что молекулой-мишенью для RPM является криптохром, который присутствует в организме человека от бактерий [46].Светозависимая химическая реакция приводит к образованию радикальной пары в синглетном состоянии из предшественников основного состояния, а присутствие магнитных полей переводит часть радикальных пар из синглетного состояния в триплетное состояние. Эти радикальные пары в синглетном или триплетном состоянии реагируют с образованием синглетных или триплетных продуктов с разной скоростью. В некотором роде изменение скорости производства этих продуктов изменяет способ, которым животное видит мир, позволяя ему определять магнитный визуальный ориентир [47].Конечно, последний механизм не является общим, поскольку у тритонов светозависимый магниторецептор находится не в глазах [48].

4. На магнитное выравнивание может влиять AMF с частотой 50/60 Гц

Как упоминалось выше, было показано, что несколько животных могут выровнять ось своего тела с осью GMF, явление, известное как магнитное выравнивание [19, 22] . Burda et al. [9] показали, что магнитное выравнивание коров и оленей может нарушаться вблизи высоковольтных линий электропередачи в полевых условиях. Интересно, что для линий электропередач, ориентированных с востока на запад, генерирующих AMF, ориентированных с севера на юг, они наблюдали, что коровы выстраивают свои тела преимущественно по оси, смещенной примерно на 90 ° относительно оси GMF.Для линий электропередач, ориентированных с севера на юг, генерирующих AMF, ориентированных с востока на запад, коровы ориентированы случайным образом. Когда коров наблюдали на разном расстоянии от линий электропередач, они возвращаются, чтобы выровнять свои тела относительно оси ГМП на расстоянии примерно 150 м. Сдвиг на 90 ° для AMF, ориентированного с севера на юг, интригует. Возможны две интерпретации: коровы ориентируются в соответствии с ориентацией линии электропередачи или взаимодействие между GMF и AMF вызывает этот сдвиг. Первую гипотезу можно исключить, поскольку для линий электропередач, ориентированных с севера на юг, коровы дезориентировались, не следуя ориентации линии электропередачи.С другой стороны, эти два наблюдения могут привести нас к выводу, что в дезориентацию коров с AMF вовлечены два разных механизма: один связан с взаимодействием GMF и AMF, когда они параллельны, а другой связан с взаимодействием, когда они перпендикуляр. В следующих разделах показаны экспериментальные доказательства воздействия AMF на биологические системы и одна модель, которая объясняет эти эффекты, предполагая взаимодействие между параллельными статическими и переменными магнитными полями.

5. Эффекты AMF: модели и экспериментальные данные

Имеются сообщения, свидетельствующие о том, что чрезвычайно слабые AMF (EW AMF) со значениями амплитуд магнитного поля в диапазонах мкм, Тл, нТ и даже пТл могут вызывать статистически значимые эффекты в биологических системах. Следует отметить, что в большинстве случаев эксперименты с EW AMF проводятся при наличии статической GMF. Более того, возможно, что присутствие постоянного магнитного поля (МП) должно быть необходимым для индукции эффектов AMF.В общем, наблюдаемые эффекты являются результатом воздействия на биологические системы AMF или комбинированных МП переменного и постоянного тока (CMF), при этом компоненты постоянного и переменного тока могут быть ориентированы относительно друг друга произвольно.

5.1. Биологические эффекты EW AMF с частотами мощности

Возможность индукции биологических эффектов EW AMF представляет особый интерес для исследователей по нескольким причинам. Одна из них заключается в том, что ПМП антропогенного происхождения рассматривается как потенциальная угроза здоровью человека [49].В настоящее время во всем мире ведутся дискуссии о рисках для здоровья, связанных с воздействием низкочастотных электромагнитных полей. В нескольких исследованиях описаны неблагоприятные эффекты, связанные с этими полями, в то время как в других не наблюдалось взаимодействия с биологическими системами [50–52].

Имеющиеся теоретические и экспериментальные данные показывают, что АМП с частотой 50/60 Гц может вызывать биологические эффекты с амплитудами МП более 10 мк Тл, в то время как возможность биологических эффектов АМП с амплитудами менее 10 µ T вызывает сомнения [53, 54].Тем не менее, несколько экспериментальных работ показали влияние EW AMF на биологические системы. Среди экспериментальных исследований работы Liburdy et al. Следует отметить, что продемонстрировала способность блокировать ингибирующее действие физиологических концентраций мелатонина и тамоксифена на рост клеток рака молочной железы человека (MSF-7) в культуре при воздействии на них синусоидального МП с частотой 60 Гц в диапазон мкм Т [55–57]. Важно отметить, что результаты Liburdy et al. [55] были подтверждены независимо в двух лабораториях [58, 59].Ishido et al. [60] подтвердили эксперименты Либурди с использованием EW AMF 50 Гц. Liburdy et al. [55] выявили наличие порогового значения амплитуды поля (0,5–1,7 мкм Тл), при котором начинает проявляться биоэффект. Другое исследование было посвящено влиянию синусоидального AMF 60 Гц с амплитудой от 1 мкМ Тл до 20 мкМ Тл на ферментативную активность орнитиндекарбоксилазы (ODC) в культивируемых клетках фибробластов [61]. Они наблюдали усиление активности ODC, вызванное воздействием AMF на культуральные клетки, что указывает на сигмоидальную зависимость от амплитуды MF, и примерно удвоение активности ODC наблюдалось при амплитуде поля 7 мкм Тл или выше.

Биологическая эффективность МП около 1 мк Тл была показана в различных тестовых системах и с использованием различных комбинаций частоты и амплитуды переменного тока. Фитцсиммонс и др. [62] наблюдали повышение митохондриальной активности в культуре клеток позвоночника HBV 155 с использованием синусоидального МП ( μ Тл, Гц). Леднев и Малышев [63] показали, что синусоидальное магнитное поле ( мкм, Тл, Гц) ингибирует Mg 2+ -АТФазную активность актомиозина в бесклеточной системе.В серии работ Темурьянц и соавт. показали влияние слабого AMF с частотой 8 Гц и амплитудой 5 μ Тл на некоторые физиологические и биохимические параметры у крыс с гипокинезией. В частности, они показали, что в этих условиях EW AMF корректирует липидный обмен [64], корректирует фагоцитарную активность нейтрофилов [65] и изменяет временную организацию физиологических процессов [66, 67].

Результаты экспериментов с синусоидальным EW AMF подтверждают вывод о существовании биологической активности AMF примерно при 1–10 μ T.Известно, что амплитуды магнитных полей промышленной частоты (50 или 60 Гц) в большинстве жилых помещений колеблются от 0,01 до 1-2 мкм Тл, а на некоторых рабочих местах может достигать 5-6 мкм Т [68]. Однако вопросы о механизме действия этих полей остаются открытыми.

5.2. EW AMF и геомагнитные пульсации и бури

В некоторых публикациях показана корреляция между различными медицинскими или биологическими параметрами и геомагнитными возмущениями, возникающими во время магнитных бурь.

Геомагнитное поле представляет собой пульсации с периодами от 0,2 до 600 с, что соответствует полосе частот от 0,001 до 5 Гц. Эта геомагнитная пульсация называется Pc или непрерывной пульсацией [68]. Есть предположение, что полоса частот Pc1 (0,5–2,0 Гц) совпадает с основными ритмами сердца, а пульсации Pc3 с периодами от 20 до 40 с (такие квазипериоды наблюдались и в сердечном ритме) могли быть биотропными агентами магнитных бурь [69].

Исследования длительного наблюдения показали корреляцию между количеством вызовов службы экстренной помощи из-за инфаркта миокарда, гипертонического криза и смертностью людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями и общей продолжительностью магнитных пульсаций Pc с частотой 0.От 2 до 5,0 Гц и амплитуды от десятков до сотен пТл [70–74].

Экспериментальные исследования на кроликах показали, что воздействие магнитных бурь приводит к значительным изменениям морфофункционального состояния сердца и систем, связанных с его деятельностью [75]. В исследованиях с пчелами без жала Schwarziana quadripunctata было замечено, что направление полета при выходе из гнезда существенно меняется во время геомагнитных бурь (колебания амплитуды около 50 нТл) [76].Такое же поведение наблюдалось у безжальной пчелы Tetragonisca angustula при моделировании геомагнитной бури в полевых условиях [77]. Крылов и др. [78] показали влияние H-компонентов типичной магнитной бури, смоделированной в лаборатории, на раннюю эволюцию Daphnia magna . Оценка раннего онтогенеза Дафнии показала, что воздействие магнитной бури с момента вспышки в раннем онтогенезе приводит к изменению размеров потомства в первых выводках.

5.3. Модель Леднева на влияние EW AMF

Ранее российский физик В.В. Леднев на основе модели ионного циклотронного резонанса [79] предложил модель параметрического резонанса, в которой считается, что ионы связаны с белками (Ca 2+ , K + и / или Mg 2+ ) ведут себя как изотропно связанные осцилляторы. Эти ионы могут служить первичными мишенями для CMF [80–82]. Рассматривая CMF как сумму параллельных полей переменного и постоянного тока, поле можно записать как.Теория Леднева показывает, что вероятность биологических эффектов CMF описывается квадратом функции Бесселя первого порядка:. Соответственно, резонансная частота формально соответствует циклотронной частоте [79], где – заряд иона, – масса иона, а максимальные эффекты достигаются при. То же математическое предсказание можно получить, используя другой теоретический подход: анализ скорости затухающего иона под действием силы Лоренца [83].В обоих случаях предсказание зависимости от конкретных значений для было проверено в нескольких экспериментах [84]. Для случая слабых (менее 10 мкм Тл) экспериментально показано, что модель Леднева может описывать биологические эффекты (амплитудные и частотные зависимости) CMF, настроенного на частоту ларморовской прецессии для некоторых ядерных спинов как 1 H, 39 K, 55 Mn, 31 P, 35 Cl, 63 Cu и 23 Na [85, 86].Эта модель позволяет рассчитывать параметры АМП, необходимые, с одной стороны, для достижения максимального эффекта, а с другой – при известных экспериментальных параметрах АМП для идентификации первичных целей [84, 87]. Экспериментальным подтверждением этого предположения в модели Леднева являются результаты, представленные в [88–90] с использованием двух тест-систем: регенерирующих планарий и гравитропной реакции растений. Результаты Belova et al. [89] предполагают, что для полей промышленных частот (50 и 60 Гц) первичными мишенями являются спины ядер атомов водорода.

6. Нарушение обнаружения GMF с помощью AMF

Как упоминалось выше, было замечено, что AMF 50/60 Гц может нарушить магнитное выравнивание [9]. Эти результаты интригуют и демонстрируют интересную взаимосвязь: для AMF, параллельного GMF, животные показывают сдвиг на 90 ° в выравнивании, а для AMF перпендикулярно GMF животные становятся дезориентированными. Эти наблюдения, кажется, связаны с двумя разными механизмами. Первый выполняет одну предпосылку модели Леднева (AMF параллельно GMF).Вторую можно объяснить, если предположить, что магнитные наночастицы в кластерах суперпарамагнитных частиц или взаимодействующие многодоменные железо-минеральные пластинки, участвующие в обнаружении ГМП или даже в реакциях пар радикалов, нарушаются АМП, как показали Вандерстратен и Гиллис [91]. Vanderstraeten и Burda [92] обсуждают это явление и предлагают анализировать магнитосенсорные нарушения, вызванные низкочастотным AMF, а не точное определение AMF. Они не принимают во внимание тот факт, что для AMF параллельно с GMF животные фактически ориентированы [9].В этой ситуации возможно влияние не на магнитодатчик, а на следующие этапы преобразования МП. Как упоминалось выше, модель Леднева предполагает, что связанные ионы, связанные с фундаментальными клеточными функциями, могут резонансно поглощать AMF, настроенные на циклотронную частоту иона, нарушая или усиливая его клеточные функции. Поскольку модели, объясняющие магниторецепцию с помощью магнитных наночастиц, предполагают, что эти частицы находятся внутри специальных органелл, возможно, ионы, связанные с преобразованием магнитного момента, могут резонансно поглощать AMF на своих собственных циклотронных частотах, изменяя восприятие МП у животных.В некоторых системах механотрансдукции стресс вызывает приток клеточного Ca 2+ [93], этот ион считается основной мишенью для биологических эффектов CMF. Таким образом, низкочастотные AMF могут нарушить некоторые этапы процесса преобразования GMF. Даже в случае криптохрома, связанного с механизмом радикальной пары, его передача сигнала может быть связана с притоком Ca 2+ в некоторых случаях [94], возможно, что низкочастотные AMF нарушают зависимое от света магниторецепцию.Мы рекомендуем, чтобы будущие эксперименты, касающиеся взаимосвязи между магниторецепцией и AMF 50/60 Гц, должны проводиться с учетом резонансного поглощения Ca 2+ или других ионов, связанных с преобразованием магнитного сигнала.

Настоящее время характеризуется большим технологическим прогрессом, который сводит воедино электромагнитное загрязнение. Источниками этого загрязнения являются линии электропередач и мобильные передающие антенны, но на разных частотах. Недавно было показано, что электромагнитный шум в диапазоне частот от 50 кГц до 5 МГц может влиять на ориентацию магнитного компаса перелетных птиц, становясь полностью дезориентированным [95].Результаты Burda et al. [9] показывают аналогичный результат для чрезвычайно низких частот у млекопитающих. Общий вывод из обоих исследований заключается в том, что загрязнение переменного магнитного поля более высоких и низких частот может влиять на магнитную чувствительность животных, и политика сохранения животных должна учитывать это.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Д. Акоста-Авалос благодарит бразильское агентство CNPq за финансовую поддержку и Н.Белова благодарит CBPF за грант PCI. Авторы благодарят доктора Дональда Эллиса из Северо-Западного университета за чтение и исправление английского языка.

8.3 Движение заряженной частицы в магнитном поле – Введение в электричество, магнетизм и электрические схемы

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ
К концу этого раздела вы сможете:
  • Объясните, как заряженная частица во внешнем магнитном поле совершает круговое движение
  • Опишите, как определить радиус кругового движения заряженной частицы в магнитном поле

Заряженная частица испытывает силу при движении в магнитном поле.Что произойдет, если это поле будет однородным при движении заряженной частицы? По какому пути следует частица? В этом разделе мы обсуждаем круговое движение заряженной частицы, а также другое движение, возникающее в результате попадания заряженной частицы в магнитное поле.

Самый простой случай имеет место, когда заряженная частица движется перпендикулярно однородному полю (рис. 8.3.1). Если поле находится в вакууме, магнитное поле является доминирующим фактором, определяющим движение. Поскольку магнитная сила перпендикулярна направлению движения, заряженная частица следует по кривой траектории в магнитном поле.Частица продолжает следовать по этому изогнутому пути, пока не образует полный круг. Другой способ взглянуть на это состоит в том, что магнитная сила всегда перпендикулярна скорости, поэтому она не действует на заряженную частицу. Таким образом, кинетическая энергия и скорость частицы остаются постоянными. Это влияет на направление движения, но не на скорость.

(рисунок 8.3.1)

Рис. 8.3.1 Отрицательно заряженная частица движется в плоскости бумаги в области, где магнитное поле перпендикулярно бумаге (обозначено маленькой буквой s – как хвосты стрелок).Магнитная сила перпендикулярна скорости, поэтому скорость изменяется по направлению, но не по величине. Результат – равномерное круговое движение. (Обратите внимание, что поскольку заряд отрицательный, сила противоположна по направлению предсказанию правила правой руки.)

В этой ситуации магнитная сила обеспечивает центростремительную силу. Учитывая, что скорость перпендикулярна магнитному полю, величина магнитной силы уменьшается до. Поскольку магнитная сила обеспечивает центростремительную силу, мы имеем

(8.3.1)

Решение для урожайности

(8.3.2)

Здесь – радиус кривизны пути заряженной частицы с массой и зарядом, движущейся со скоростью, перпендикулярной напряженности магнитного поля. Время прохождения заряженной частицы по круговой траектории определяется как период, равный пройденному расстоянию (окружности), деленному на скорость. На основании этого и 8.3.1 мы можем получить период движения как

.

(8.3.3)

Если скорость не перпендикулярна магнитному полю, то мы можем сравнить каждую составляющую скорости отдельно с магнитным полем. Компонент скорости, перпендикулярный магнитному полю, создает магнитную силу, перпендикулярную как этой скорости, так и полю:

(8.3.4)

где – угол между и. Компонент, параллельный магнитному полю, создает постоянное движение в том же направлении, что и магнитное поле, также показанное на 8.3.4. Параллельное движение определяет шаг спирали, то есть расстояние между соседними витками. Это расстояние равно параллельной составляющей скорости, умноженной на период:

(8.3.5)

В результате получается спиральное движение , как показано на следующем рисунке.

(рисунок 8.3.2)

Рис. 8.3.2 Заряженная частица движется со скоростью, отличной от направления магнитного поля. Компонента скорости, перпендикулярная магнитному полю, создает круговое движение, тогда как составляющая скорости, параллельная полю, перемещает частицу по прямой.Шаг – это расстояние по горизонтали между двумя последовательными кругами. Результирующее движение – спиралевидное.

Пока заряженная частица движется по спирали, она может попасть в область, где магнитное поле неоднородно. В частности, предположим, что частица перемещается из области сильного магнитного поля в область более слабого поля, а затем обратно в область более сильного поля. Частица может отразиться до того, как войдет в область более сильного магнитного поля. Это похоже на волну на струне, которая движется от очень легкой тонкой струны к твердой стене и отражается назад.Если отражение происходит с обоих концов, частица оказывается в так называемой магнитной бутылке.

Захваченные частицы в магнитных полях обнаружены в радиационных поясах Ван Аллена вокруг Земли, которые являются частью магнитного поля Земли. Эти пояса были обнаружены Джеймсом Ван Алленом при попытке измерить поток космических лучей на Земле (частицы высокой энергии, приходящие извне Солнечной системы), чтобы увидеть, похоже ли это на поток, измеренный на Земле.Ван Аллен обнаружил, что из-за вклада частиц, захваченных магнитным полем Земли, поток на Земле был намного выше, чем в космическом пространстве. Aurorae , как и знаменитое северное сияние (северное сияние) в Северном полушарии (рис. 8.3.3), представляют собой прекрасные проявления света, излучаемого при рекомбинации ионов с электронами, входящими в атмосферу, по мере их движения вдоль силовых линий магнитного поля. (Ионы – это в основном атомы кислорода и азота, которые первоначально ионизируются в результате столкновений с энергичными частицами в атмосфере Земли.) Полярные сияния наблюдались также на других планетах, таких как Юпитер и Сатурн.

(рисунок 8.3.3)

Рис. 8.3.3 (a) Радиационные пояса Ван Аллена вокруг Земли захватывают ионы, произведенные космическими лучами, падающими на атмосферу Земли. (b) Великолепное зрелище северного сияния, или северного сияния, сияет в северном небе над Беар-Лейк недалеко от базы ВВС Эйлсон, Аляска. Этот свет, сформированный магнитным полем Земли, создается светящимися молекулами и ионами кислорода и азота.(кредит b: модификация работы старшего летчика ВВС США Джошуа Стрэнга)

ПРИМЕР 8.3.1

Дефлектор луча

Группа исследователей занимается изучением короткоживущих радиоактивных изотопов. Им необходимо разработать способ транспортировки альфа-частиц (ядер гелия) от места их создания к месту, где они столкнутся с другим материалом, образуя изотоп. Луч альфа-частиц изгибается через область градусов с однородным магнитным полем (рис. 8.3.4). а) В каком направлении следует приложить магнитное поле? (б) Сколько времени требуется альфа-частицам, чтобы пройти через область однородного магнитного поля?

(рисунок 8.3.4)

Рисунок 8.3.4. Вид сверху на установку дефлектора балки.
Стратегия

а. Направление магнитного поля показано RHR-1. Ваши пальцы указывают в направлении, а большой палец должен указывать в направлении силы, влево. Следовательно, поскольку альфа-частицы заряжены положительно, магнитное поле должно указывать вниз.

г. Период движения альфа-частицы по окружности

.

(8.3.6)

Поскольку частица движется только по четверти круга, мы можем умножить этот период, чтобы найти время, необходимое для обхода этого пути.
Решение

а. Начнем с того, что сфокусируемся на альфа-частице, входящей в поле в нижней части изображения. Сначала покажите пальцем вверх по странице. Чтобы ваша ладонь открывалась влево, куда указывает центростремительная сила (и, следовательно, магнитная сила), ваши пальцы должны менять ориентацию, пока они не будут указывать на страницу. Это направление приложенного магнитного поля.

г. Период движения заряженной частицы по окружности рассчитывается с использованием заданных в задаче массы, заряда и магнитного поля.Получается

Однако для данной задачи альфа-частица проходит четверть круга, поэтому время, необходимое для этого, составит

.

Значение

Это время может быть достаточно быстрым, чтобы добраться до материала, который мы хотели бы бомбардировать, в зависимости от того, насколько короткоживущий радиоактивный изотоп и продолжает испускать альфа-частицы. Если бы мы могли усилить магнитное поле, приложенное к области, это сократило бы время еще больше.Путь, по которому частицы должны пройти, можно было бы сократить, но это может оказаться неэкономичным, учитывая экспериментальную установку.

ПРОВЕРЬТЕ ПОНИМАНИЕ 8.2

Однородное магнитное поле магнитуды направлено горизонтально с запада на восток. а) Какова магнитная сила на протоне в момент, когда он движется вертикально вниз в поле со скоростью? б) Сравните эту силу с весом протона.

ПРИМЕР 8.3.2

Движение по спирали в магнитном поле

Протон входит в однородное магнитное поле со скоростью.Под каким углом должно быть магнитное поле относительно скорости, чтобы шаг результирующего спирального движения был равен радиусу спирали?

Стратегия

Шаг движения относится к параллельной скорости, умноженной на период кругового движения, тогда как радиус относится к перпендикулярной составляющей скорости. После установки равных друг другу радиуса и шага найдите угол между магнитным полем и скоростью или.

Решение

Шаг задается уравнением 8.3.5 период определяется уравнением 8.3.3, а радиус кругового движения задается уравнением 8.3.2. Обратите внимание, что скорость в уравнении радиуса связана только с перпендикулярной скоростью, в которой происходит круговое движение. Поэтому мы подставляем синусоидальную составляющую общей скорости в уравнение радиуса, чтобы приравнять шаг и радиус:

Значение

Если бы этот угол был, то имела бы только параллельная скорость и спираль не образовывалась бы, потому что не было бы кругового движения в перпендикулярной плоскости.Если бы этот угол был, то происходило бы только круговое движение, и не было бы движения кругов, перпендикулярных движению. Это то, что создает спиральное движение.

Кандела Цитаты

Лицензионный контент CC, особая атрибуция

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

– обзор

3.1 Схема компактных симметричных сверхпроводящих магнитов

Четыре компактных магнита с различной напряженностью магнитного поля (1, 3, 7 и 11,75 Тл) изображены для сравнения основных характеристик конструкций. Все магниты имеют разное распределение поля, которое позволяет получить определенное расположение катушек, и они выделены в этом разделе. Мы также указываем на важные соображения, которые следует учитывать в отношении магнитов с низким и сильным полями, и на то, как они меняются при увеличении или уменьшении напряженности поля поля зрения.

На рисунках 4–7, соответственно, представлены иллюстрации, связанные с конструкцией и характеристиками магнитов 1, 3, 7 и 11,75 Тл. Эти магниты были разработаны с использованием магнитной области, показанной на рисунке 2A. Домен делит магнитное поле на две несвязанные области. Источник выражения сферической гармоники (представленный на рисунке 1) или центр поля зрения помещается в центр тяжести домена. Конструкции магнитов 1, 3 и 7 Т предполагают использование сверхпроводящего провода из NbTi, подробные характеристики которого приведены в Sciver и Marken. 9 Следовательно, в наших конструкциях пиковое поле на любой катушке было ограничено величиной менее 9 Тл, и проводник при этой напряженности поля способен пропускать транспортный ток не более 250 А / мм. 4,2 К. В конструкции 11,75 Тл используется композит резерфордовской проволоки NbTi – Cu с критической плотностью тока 165 А / мм 2 при 12 Т и 2,8 К, которая является целью для всех катушек и использовалась ранее. 41

Рис. 4. Конструкция магнита 14 градусов и 4 магнита порядка 1 ТИллюстрации (A) распределения плотности тока MSE с местоположениями для начальных катушек затравки, (B) общее распределение магнитного поля, (C) окончательная компоновка катушки и связанное с ней внутреннее поле, (D) отсечка внешнего поля с 20 , 15, 10 и 5 G изолинии изнутри наружу и (E) напряжение относительно радиального направления внутри каждой из катушек. Знаки «+» в (C) указывают положительный транспортный ток, в противном случае транспортный ток отрицательный, и контуры соответствуют полю в (B).

Рис. 5. Конструкция магнита с углом 3 Т порядка 14 градусов и 6. Иллюстрации (A) распределения плотности тока MSE с местоположениями для начальных катушек затравки, (B) общее распределение магнитного поля, (C) окончательная компоновка катушки и связанное с ней внутреннее поле, (D) отсечка внешнего поля с 20 , 15, 10 и 5 G контуры изнутри наружу и (E) напряжение относительно радиального направления внутри каждой из катушек. Знаки «+» в (C) указывают положительный транспортный ток, в противном случае транспортный ток отрицательный, и контуры соответствуют полю в (B).

Рис. 6. Конструкция магнита 7 Т порядка 12 градусов и 4. Иллюстрации (A) распределения плотности тока MSE с местоположениями для начальных катушек затравки, (B) общее распределение магнитного поля, (C) окончательная компоновка катушки и связанное с ней внутреннее поле, (D) отсечка внешнего поля с 20 , 15, 10 и 5 G контуры изнутри наружу и (E) напряжение относительно радиального направления внутри каждой из катушек. Знаки «+» в (C) указывают положительный транспортный ток, в противном случае транспортный ток отрицательный, и контуры соответствуют полю в (B).

Рис. 7. Конструкция открытого магнита с 12-градусным 6-градусным углом наклона 11,75 Тл. Иллюстрации (A) распределения плотности тока MSE с местоположениями для начальных катушек затравки, (B) общее распределение магнитного поля, (C) окончательная компоновка катушки и связанное с ней внутреннее поле, (D) отсечка внешнего поля с 20 , 15, 10 и 5 G контуры изнутри наружу и (E) напряжение относительно радиального направления внутри каждой из катушек. Знаки «+» в (C) указывают положительный транспортный ток, в противном случае транспортный ток отрицательный, и контуры соответствуют полю в (B).

На рисунках 4A, 5A, 6A и 7A изображены изолинии карты плотности тока вместе с размещением катушек затравки, используемых для оптимизации второго этапа. Затравочные катушки размещены в локальных положительных максимумах и отрицательных минимумах карты плотности тока MSE. Направление тока каждой катушки определяется полярностью этих локальных оконечностей. Также важно отметить, что локальные конечности на карте плотности тока MSE появляются по периметру магнитной области, и затравочные катушки для второго этапа оптимизации определяются соответственно.

Распределение магнитного поля окончательных конфигураций показано на рисунках 4B, 5B, 6B и 7B. Его контуры изображены как часть окончательной конфигурации катушек на рисунках 4C, 5C, 6C и 7C, где катушки с положительным транспортным током обозначены знаком «+», а другие катушки имеют отрицательный транспортный ток. Из графиков видно, что для конфигурации катушки магнита 1 Тл полное магнитное поле имеет тенденцию быть наибольшим между катушками среднего и внешнего слоев (т. Е.катушки 7 и 8 на рисунке 4B). Из напряженности поля 3 Тл магнита на рис. 5В видно, что максимальные поля теперь находятся между катушками внутреннего и среднего слоя (то есть катушками 7 и 8). В случае конфигураций 7 и 11,75 Тл, показанных на рисунках 6B и 7B, максимальные общие поля сместились к внутреннему диаметру магнита. Это важное наблюдение, поскольку проблемы пикового поля для сильнопольных магнитов, по-видимому, связаны с внутренними катушками, тогда как в конструкциях с низким полем, возможно, внутренние катушки испытывают меньше проблем, связанных с сильными магнитными полями.Следовательно, чтобы уменьшить пиковое поле сверхпроводящих катушек для магнитов с низким и средним полем, необходимо отрегулировать относительное расстояние между катушками в среднем слое и катушками во внутреннем или внешнем слое. Однако для сильнопольных магнитов пиковое поле можно уменьшить только за счет увеличения длины магнитной области и уменьшения плотности тока на сверхпроводящих катушках.

Рисунки 4D, 5D, 6D и 7D представляют собой контурные графики поля рассеяния, где контуры представляют собой линии 5, 10, 15 и 20 G снаружи внутрь.Во всех конструкциях линия 5G простирается примерно на 5 м во всех направлениях от центра поля зрения, что лучше, чем у клинических магнитов, выпускаемых основными производителями, с полем обзора 45–50 см.

На рисунках 4E, 5E, 6E и 7E изображены кольцевые напряжения отдельных катушек в радиальном направлении в средней плоскости каждой катушки. В частности, для сильнопольного магнита 11,75 Тл расчет напряжения показывает, что самые внутренние катушки являются наиболее важными в конструкции, поскольку они подвергаются наибольшим магнитным полям и напряжениям.Можно использовать другие сверхпроводники (то есть более дешевые) для создания внешних сверхпроводящих катушек, поскольку они находятся в пределах сверхпроводимости.

Конструкцию MSE 1 T можно сравнить с первичным магнитом на 1 Тл, описанным в Cheng et al . 25 с использованием транспортного тока 110 А. Магнит Ченга имеет такой же внутренний диаметр и больший внешний диаметр (1,35 м по сравнению с нашими 1,15 м), меньшее поле обзора (30 см по сравнению с 40 см при размахе от пика до пика 1 ppm) и большее поле рассеяния (11.9 на 9,8 м по сравнению с 7,8 на 7 м на линии 5 G).

В таблице 1 представлены интересующие характеристики, полученные для различных конструкций. В таблице 2 представлена ​​дополнительная информация о расположении катушек. Центральное расположение катушек с соответствующими радиальными и осевыми координатами задается как ( r c , z c ), а соответствующая катушка имеет размеры ( D r , D z ).Пиковое поле ( B пик ) для каждой катушки сообщается вместе с расчетным кольцевым напряжением ( σ θ ) с использованием соотношения BJr , где B – среднее осевое магнитное поле, J – плотность тока, а r – средний радиус. 40

Таблица 1. Представляющие интерес характеристики, полученные из шести различных конструкций

м 9067 9,20 Осевая зона охвата при 5 G (м) 9067
Спецификация 1 T 3 T 7 T 11.75 T 1 T A 1 T O
Порядок (внутренние гармоники пропали) 14 14 12 12 11 14 Градус (исчезнут внешние гармоники) 4 6 4 6 2 4
Длина (м) 1,00 1,44 1,94 1,9400 1,40
Внутренний диаметр (м) 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
Наружный диаметр 3,22 2,20 2,20
Радиальное поле обзора при 1 ppm (м) 0,40 0,46 0,43 0,58 0,34 0,56
0.40 0,46 0,41 0,56 0,35 0,66
Радиальный след при 5 G (м) 7,00 5,60 7,80 9,20 7,80 7,8 6,15 9,15 10,60 10,40 7,80
Накопленная энергия (МДж) 33 58 155 16
Пиковое кольцевое напряжение (МПа) 369 188 182 129 276 286
Пиковое магнитное поле 867273 8,16 8,76 12,11 8,47 6,79
Плотность тока (А / мм 2 ) 160 175 94 471 155 94

Критическая плотность тока резерфордовской проволоки NbTi / Cu, используемой в конструкции 11,75 Тл, составляет 165 А / мм 2 при напряженности магнитного поля 12 Тл при 2,8 К. Критическая плотность тока используемой проволоки NbTi в других конструкциях – 250 А / мм 2 при напряженности магнитного поля 9 Тл при 4.2 К. ( A, асимметричный, O, открытый).

Таблица 2. Конфигурации катушек для шести конструкций представлены

1 0,0671400 9067

Магнит Катушка Полярность I (A / мм 2 ) Объем (м 3 ) B пик (T) r c (м) z c (м) D r (м) D z (м) σ θ (МПа)
1 T 1 + 160 0.0056 4,2145 0,5344 0,0122 0,0689 0,0243 155,171
2 – 160 0,0128 160 146,690
3 + 160 0,0088 4,0903 0,5236 0,1410 0,0472 0.0566 132,594
4 – 160 0,0179 6,1822 0,5316 0,2217 0,0632 0,0632 5,5941 0,5433 0,3003 0,0866 0,0411 307,353
6 – 160 0.0204 6,3448 0,5251 0,4003 0,0501 0,1233 278,592
7 68,9890
8 – 160 0,1161 8,7223 1,0832 0,4362 0,1336 0.1277 369,317
9 + 160 0,0413 4,6549 1,1171 0,0446 0,0659 0,0672 0,0672 175 0,0110 5,1712 0,5462 0,0173 0,0925 0,0347 83.0100
2 – 175 06720082 5,0338 0,5212 0,0714 0,0424 0,0592 188,144
3 + 175 0,0213 175 0,0213 124,006
4 – 175 0,0111 5,9871 0,5240 0,2335 0,0480 0.0703 179,269
5 + 175 0,0334 7,2336 0,5473 0,3353 0,0947 0,1025 0,0947 0,1025 0,0947 0,1025 6,8989 0,5348 0,4538 0,0697 0,0924 88,2740
7 + 175 0.0623 7,7368 0,5495 0,6288 0,0990 0,1824 10,4410
8 – 175 0,0858 0,0858 0,0858 0,0858 123,763
9 + 175 0,0862 7,3361 0,9800 0,4333 0,0600 0.2334 58.1230
10 – 175 0,0607 6.5604 0,9800 0,0821 0,0600 0,1642 9067 1 93,734 0,0477 7,0221 0,5526 0,0881 0,1052 0,1305 119,113
2 + 93.734 0,0715 7,0704 0,5504 0,3042 0,1008 0,2050 120,887
3 0,4654 54,0865
4 – 93,734 0,2175 5,8079 0,9611 0,7318 0.0777 0,4636 181,819
11,75 T 1 + 44,400 0,1912 11,757 0,6455 0,09 + 44,400 0,2735 11,812 0,6455 0,3116 0,2910 0,2333 128,652
3 + 1,3016 12,108 0,6455 1,0152 0,2910 1,0947 104,760
4 44,400 44.400 44.400 44.400 0,0970 73,9070
5 – 44,400 0,3826 3,5121 1,5599 0,1953 0.1001 0,3907 93,8790
1 T A 1 – 155 0,0202 7,3588 0,0202 7,3588 0,500006 2 + 155 0,0087 4,1991 0,5258 – 0,2235 0,0517 0,0511 175,085
155,085 3 30114 4,3260 0,5234 – 0,1425 0,0467 0,0741 94,1320
4 +

 155 0,0098 2 155 0,0098 83.1000
5 – 155 0,0063 2,9329 0,5171 0,0271 0,0342 0.0567 52.2210
6 + 155 0,0085 2,6471 0,5185 0,1149 0,0371 2,3240 0,5153 0,2038 0,0307 0,0542 29,6750
8 + 155 0.0086 2,6748 0,5188 0,3073 0,0377 0,0698 66,5320
9 – 155 0,0089 155 82.0880
10 + 155 0,0338 4,4609 0,6525 0,5774 0,1823 0.0452 80.1380
11 – 155 0,0697 2,2910 1,0904 – 0,0973 0,0192 0,0192 0,5298 0,0192 0,5298 0,5657 8,4084 0,7269 – 0,3597 0,2338 0,5298 146.078
1 T O 1 175 06720068 2,8406 0,5496 0,3630 0,0760 0,0260 26,1530
2 – 175 0,0061 175 0,0061 175 0,0061 175 0,0061 108,254
3 + 175 0,0080 3,5979 0,5236 0,4744 0,0470 0.0520 123.876
4– 175 0,0142 5,7564 0,5243 0,5810 0,0490 0,0880 0,0490 0,0880 0,0490 0,0880 5,3065 0,6553 0,3754 0,0980 0,0510 182,115
6 – 175 0.0404 6,1251 0,6731 0,6765 0,2030 0,0470 125,311
7 + 175 0,0737 172 285,821
8 – 175 0,0753 6,7900 0,8922 0,3866 0,1840 0.0730 6,13800

Для каждой катушки было вычислено пиковое магнитное поле вместе со средним кольцевым напряжением. В таблице ( D r , D z ) указаны размеры катушки в центре ( r c , z c ) вдоль радиального ( r ) и осевого ( z ) координатных направлений. Кольцевое напряжение ( σ θ ) для каждой катушки указано в последнем столбце.Предусмотрены все 12 катушек асимметричного магнита. Для симметричных магнитов предусмотрена только половина катушек. ( A асимметричный, O открытый).

Электромагнитное излучение и поля

Электромагнитное излучение

Электромагнитное поле (ЭМП) генерируется при ускорении заряженных частиц, например электронов. Заряженные частицы в движении создают магнитные поля. Электрические и магнитные поля присутствуют вокруг любой электрической цепи, будь то электричество переменного (AC) или постоянного (DC) тока.Поскольку постоянный ток статичен, а переменный ток меняется по направлению, поля от источников постоянного и переменного тока существенно различаются. Статические поля, например, не вызывают токов в неподвижных объектах, в отличие от полей переменного тока. Статические магнитные поля не меняются во времени и, следовательно, не имеют частоты (0 герц [Гц]).

Наиболее известные магнитные эффекты возникают в ферромагнитных материалах, которые сильно притягиваются магнитными полями и могут быть намагничены, чтобы стать постоянными магнитами, которые сами создают магнитные поля.Лишь немногие вещества являются ферромагнитными; наиболее распространены железо, никель, кобальт и их сплавы.

Напряженность магнитного поля обычно измеряется в теслах (Тл или мТл) или гауссах (Гс). Бытовые магниты имеют силу порядка нескольких десятков миллитесла (1 мТл = 10 –3 Тл), а напряженность поля оборудования магнитно-резонансной томографии (МРТ) колеблется от 1,5 Тл до 10 Тл.

Статические электрические поля

Электрическое поле – это силовое поле, создаваемое притяжением и отталкиванием электрических зарядов, и оно измеряется в вольтах на метр (В / м).Статическое электрическое поле (также называемое электростатическим полем) создается зарядами, которые фиксируются в пространстве. Сила естественного статического электрического поля в атмосфере варьируется от примерно 100 В / м в хорошую погоду до нескольких тысяч В / м под грозовыми облаками. Другим источником статических электрических полей является разделение зарядов в результате трения или статических электрических токов от различных технологий. В домашних условиях зарядовые потенциалы в несколько киловольт могут накапливаться при ходьбе по непроводящему ковру, создавая локальные поля.Высоковольтные линии постоянного тока могут создавать статические электрические поля до 20 кВ / м и более.

Источники с напряженностью поля более 5–7 кВ / м могут создавать широкий спектр опасностей, таких как реакции вздрагивания, связанные с искровыми разрядами, и контактные токи от незаземленных проводников внутри поля.

Статические магнитные поля

Магнитное поле – это силовое поле, создаваемое магнитом или зарядами, которые движутся в постоянном потоке, как при постоянном токе (DC). Статические магнитные поля оказывают притягивающую силу на металлические предметы, содержащие, например, железо, никель или кобальт.Количество феррита (форма железа) или мартенситной стали (особый тип сплава нержавеющей стали) в объекте влияет на его магнитную способность: чем больше количество этих компонентов, тем выше ферромагнетизм. Все типы нержавеющей стали серии 400 являются магнитными. Аустенитная сталь немагнитна. Большая часть, но не вся нержавеющая сталь серии 300 является аустенитной, а не магнитной.

Источники статических магнитных полей, обнаруженные в лаборатории Беркли, включают оборудование ядерного магнитного резонанса (ЯМР), системы МРТ, системы спектроскопии, ионные насосы, квадруполи и секступоли, изгибные магниты, сверхпроводящие магниты и криостаты.

Статические магнитные поля также могут стирать данные, хранящиеся на магнитных носителях или на полосах кредитных или дебетовых карт и бейджей.

Неустойчивые магнитные поля

Изменяющиеся во времени магнитные поля – это магнитные поля, которые меняют свое направление с постоянной частотой. Они могут индуцировать электрический ток в проводнике, присутствующем в этом поле, а также в теле человека. Изменяющиеся во времени магнитные поля создаются устройствами, использующими переменный ток, такими как антенны сотовых телефонов, микроволновые печи и т. Д.Общее практическое правило состоит в том, что 1 Тл / сек может вызвать около 1 микроампер на квадратный сантиметр (мкА / см 2 ) в теле.

Наведенные в теле токи могут вызвать местное нагревание и возможные ожоги, что является основным эффектом изменяющихся во времени полей. Причина – изменяющееся во времени поле высокой радиочастоты. Низкочастотные поля обычно не вносят большого вклада в этот эффект.

Источники электромагнитного излучения

Статические магнитные поля создаются магнитами или потоком постоянного тока.Они также могут быть произведены из многих природных источников. К естественным источникам статических электрических полей относятся земная атмосфера во время шторма, заряд, возникающий при перемещении по ковру, и «статическое прилипание» одежды. Земля имеет электрическое поле около 130 В / м у поверхности из-за разделения зарядов между Землей и ионосферой. Он направлен вертикально. Земля и ионосфера вместе образуют сферический конденсатор, причем двумя проводящими поверхностями являются земля и верхняя атмосфера.Эта разница потенциалов поддерживается за счет молнии, которая несет на землю отрицательные заряды.

Земля сама по себе имеет естественное статическое магнитное поле, которое используется для навигации по компасу. Токи, протекающие глубоко в ядре Земли, создают естественные статические магнитные поля на поверхности Земли. Земля имеет статическую плотность магнитного потока в среднем 0,5 Гс с наименьшей напряженностью поля на экваторе и наибольшей на магнитных полюсах.

Общие источники статических магнитных полей включают постоянные магниты (которые используются в бытовой технике, игрушках и медицинских устройствах), приборы с батарейным питанием, сканеры МРТ, некоторые электрифицированные железнодорожные системы и определенные производственные процессы.

Сверхпроводящие магниты

Схематическое изображение магнитного поля, создаваемого индуцированным током.

Сверхпроводящий магнит – это электромагнит, сделанный из катушек сверхпроводящего провода. Во время работы их необходимо охлаждать до криогенных температур. В сверхпроводящем состоянии провод может проводить гораздо большие электрические токи, чем обычный провод, создавая сильные магнитные поля. Сверхпроводящие магниты используются в сканерах МРТ в больницах и в научном оборудовании, таком как спектрометры ядерного магнитного резонанса (ЯМР), масс-спектрометры и ускорители частиц.

Сверхпроводящие магниты, такие как оборудование для ЯМР и МРТ, представляют особую угрозу безопасности. Эти проблемы включают криогенную безопасность, сильные магнитные поля и возможность создания атмосферы с дефицитом кислорода. Самый высокий потенциал для наиболее серьезных из этих опасностей существует во время запуска магнита, наполнения криогенным веществом и работ по техническому обслуживанию. После того, как магниты работают и магнитные поля установлены, риски минимальны, если операторы, обслуживающий персонал, пациенты и / или посетители понимают пределы близости и процедуры, которым необходимо следовать при работе рядом с магнитом.

Ядерный магнитный резонанс

Пример системы ЯМР

В системе ЯМР используется статическое магнитное поле и радиочастотный импульс для выравнивания ядерных спинов в магнитном поле, чтобы максимизировать силу сигнала ЯМР. ЯМР-спектроскопия – это метод исследования, который использует магнитные свойства определенных атомных ядер и может предоставить подробную информацию о структуре, динамике, состоянии реакции и химическом окружении молекул.

ЯМР

– это сверхпроводящие магниты, которые обычно создают поля сердечника от 0.От 15 Тл до 20 Тл. Эти поля уменьшаются по интенсивности по мере удаления от ядра. Исследовательские ЯМР более мощные, чем медицинские устройства, но их области меньше по объему, сфокусированы и быстро исчезают, что упрощает обеспечение защиты персонала.

Советы по безопасности при использовании ЯМР

Магнитно-резонансная томография

Типичный медицинский сканер МРТ

Метод МРТ используется в радиологии для создания изображений органов тела для диагностической визуализации. МРТ-сканирование основано на науке о ЯМР с использованием сильных магнитных полей, радиоволн и градиентов поля для создания изображений органов в теле.Сканер МРТ состоит из большого мощного магнита, в котором лежит пациент. Радиоволновая антенна используется для передачи сигналов телу, а затем приема сигналов обратно. Эти возвращаемые сигналы преобразуются в изображения компьютером, подключенным к сканеру. Изображение практически любой части тела можно получить в любой плоскости.

Большинство клинических магнитов – это сверхпроводящие магниты, для которых требуется жидкий гелий. Сила магнитного поля МРТ колеблется от 0,15 Тл до 4 Тл. Сверхпроводящие магниты на 1.5 Тл и выше позволяют получать функциональные изображения головного мозга и МР-спектроскопию с улучшенным временным и пространственным разрешением. Такие магниты создают дополнительные проблемы из-за радиочастотного (RF) нагрева объекта.

Советы по безопасности при использовании МРТ

Ионные насосы

Пример распылительного ионного насоса

Ионный насос (также называемый распылительным ионным насосом) представляет собой тип вакуумного насоса, способный достигать давления до 10 −11 миллибар (мбар) в идеальных условиях. Ионный насос ионизирует газ внутри сосуда, к которому он прикреплен, и использует сильный электрический потенциал, обычно 3–7 кВ, что позволяет ионам ускоряться и захватываться твердым электродом и его остатками.

Три основных типа ионных насосов – это обычный или стандартный диодный насос, благородный диодный насос и триодный насос.

Базовая конструкция состоит из двух электродов (анодного и катодного) и магнита. Ионные насосы обычно используются в системах сверхвысокого вакуума (UHV), поскольку они могут достигать предельного давления менее 10 −11 мбар. В отличие от других распространенных сверхвысококачественных насосов, таких как турбомолекулярные и диффузионные насосы, ионные насосы не имеют движущихся частей и не используют масло.Поэтому они чистые, не требуют особого ухода и не производят вибрации. Эти преимущества делают ионные насосы хорошо подходящими для использования в сканирующей зондовой микроскопии и других высокоточных приборах. Кроме того, они не нуждаются в запекании и предназначены для минимизации паразитного магнитного поля.

Большинство ионных насосов, установленных на лучевых линиях ALS, имеют линию 5 G в пределах 20–30 см от поверхности.

Влияние на здоровье

Физические и биологические эффекты в статических электрических и магнитных полях

Безусловно, наиболее важным эффектом является притяжение магнитных объектов в теле или на теле магнитным полем.Такие предметы, как кардиостимуляторы, хирургические зажимы и имплантаты, планшеты, инструменты, украшения, часы, швабры, ведра, ножницы и винты, были задокументированы как потенциальные опасности. Даже маломощные предметы могут стать опасными при движении на высокой скорости. Большая часть этого опыта пришла из медицинских систем МРТ. Магнитные объекты будут пытаться выровняться с линиями магнитного поля. Если имплантированный объект попытается сделать это, крутящий момент может привести к серьезной травме.

Современные кардиостимуляторы предназначены для тестирования или перепрограммирования с использованием небольшого магнитного поля, внешнего по отношению к телу.Статические поля могут замкнуть герконы и вызвать переход кардиостимулятора в режим тестирования, перепрограммирования, обхода и другие режимы работы с возможной травмой.

На основании данных использования МРТ статические поля могут оказывать небольшое обратимое влияние на данные электрокардиограммы. Причина – взаимодействие движущейся крови (проводящей среды) и поля в сердце. Эффект минимален (менее 2 Тл) и не считается проблемой.

Имеющаяся в настоящее время информация не указывает на какие-либо серьезные последствия для здоровья в результате острого воздействия статических магнитных полей до 8 Тл, но это может привести к потенциально неприятным эффектам, таким как головокружение во время движений головы или тела.Степень этих ощущений во многом зависит от индивидуальных факторов, таких как личная предрасположенность к укачиванию и скорость передвижения в поле.

Физические и биологические эффекты в изменяющихся во времени и индуцированных электрических полях

Эффекты изменяющихся во времени полей аналогичны эффектам статических полей. В таком поле могут возникать небольшие токи, обычно отсутствующие в теле. Обычно это не вызывает беспокойства, но они могут вызывать головокружение и сенсорные ощущения, такие как тошнота, металлический привкус во рту и слабые мерцающие зрительные ощущения (магнитофосфены).Пользователи кардиостимуляторов также могут подвергаться риску. Индуцированные токи могут привести к неправильному запуску кардиостимулятора или даже к предотвращению стимуляции, когда это действительно необходимо. Наведенные токи могут вызвать локальный нагрев, который является основным эффектом изменяющихся во времени полей.

Основным взаимодействием низкочастотных изменяющихся во времени электрических и магнитных полей с человеческим телом является индукция электрического поля и токов в соответствии с законом Фарадея: E = πfrB, где E – электрическое поле, f – частота, r – радиус петли, перпендикулярной магнитному полю, а B – плотность магнитного потока.Чем больше радиус r , тем больше электрическое поле и ток. У человека наибольший радиус по периметру тела.

Сообщалось о стимуляции нервной и мышечной ткани при 50–500 мТл (500–5000 G). Выше 500 мТл (5000 G) индуцированные токи могут нарушить сердечный ритм или вызвать фибрилляцию желудочков. Все эти эффекты вызваны наведенными токами (IRPA, 1990).

Пределы электромагнитного воздействия и оценка

ПДК ACGIH относятся к плотностям потока статического магнитного поля, которым, как считается, почти все рабочие могут подвергаться многократно изо дня в день без неблагоприятных последствий для здоровья.

ПДК для обычного (8-часового) профессионального воздействия статических магнитных полей перечислены в таблице 1. Работники с имплантированными ферромагнитными или электронными медицинскими устройствами не должны подвергаться воздействию статических магнитных полей, превышающих 0,5 мТл (5 G).

Таблица 1. TLV для статических магнитных полей

TLV Описание
5 г Максимально допустимое поле для имплантированных кардиостимуляторов.
10 г Могут быть повреждены часы, кредитные карты, магнитная лента, компьютерные диски.
30 г Небольшие предметы из черных металлов представляют опасность с кинетической энергией.
20,000 G (2T) Предел потолка для всего тела (воздействие выше этого предела не допускается).
80,000 G (8T) Целостность (специальная подготовка рабочих и контролируемая рабочая среда).
200,000 G (20T) Предел потолка конечности (воздействие выше этого предела не допускается).

Примечание. Время экспозиции, взвешенное по времени (TWA), обычно вызывает беспокойство только при очень сильном воздействии поля на все тело.

1 гаусс (Г) = 0,1 миллитесла (мТл)

Полный список TLV можно загрузить по указанной ниже ссылке: Полный список пороговых значений.

Пороговые значения (ПДК)

Оценка воздействия

Для оценки опасности и оценки воздействия устройств, генерирующих ЭМП, необходимо выполнить измерение излучения ЭМП и сравнить его с соответствующими ПДК.Оценка должна выполняться во время установки устройства, генерирующего ЭДС, после изменения рабочих параметров, которое увеличивает опасность, или после ремонта, который может изменить рабочие параметры. Уже установленные, но не прошедшие оценку устройства следует оценивать при первой возможности. Если результаты первоначальных оценок значительно ниже ПДК, дальнейший мониторинг не требуется, если только деятельность не изменена так, чтобы ожидать увеличения воздействия. Если установлено, что результаты превышают уровни TLV или очень близки к TLV, периодический мониторинг следует проводить с частотой, достаточной для обеспечения адекватности мер контроля (обычно ежегодно).

Общие правила техники безопасности

Снаряды

Самая непосредственная опасность, связанная с магнитной средой, – это притяжение между магнитом и ферромагнитными объектами. Ферромагнитные металлические предметы могут стать летательными снарядами в сильном магнитном поле. Инструменты и баллоны со сжатым газом могут стать неконтролируемыми и лететь, как ракеты, к магнитам в областях, где существуют сильные статические поля и сильные градиенты поля (изменения напряженности поля на расстоянии).Механические опасности зависят от напряженности поля и градиента поля, а также от того, насколько быстро сила магнитного поля изменяется с расстоянием. Очевидная мера безопасности – не допустить попадания магнитных материалов в рабочую зону.

Никогда не помещайте какие-либо части тела между магнитом и незакрепленными металлическими предметами. Если большой объект притягивается к магниту и ударяется о магнит, выйдите из комнаты, так как это может вызвать гашение магнита. Сообщите своему руководителю. Если произошла травма, немедленно позвоните в службу 911.

Электронные и металлические имплантаты

Лица, носящие металлические имплантаты, такие как костные или суставные протезы, хирургические зажимы, гвозди или винты в сломанных костях, пирсинг или даже зубные пломбы, могут испытывать болезненные ощущения при воздействии сильных магнитных полей. Лица, оснащенные кардиостимуляторами, подвергаются особому риску, поскольку статические или импульсные магнитные поля могут влиять на рабочий режим их имплантированных устройств.

Проблемы криогенного газа

Закалочная

Квенч – это (обычно неожиданная) потеря сверхпроводимости в ЯМР-магните, приводящая к быстрому нагреву за счет увеличения сопротивления сильному току.Сверхпроводящий магнит содержит жидкий гелий и жидкий азот. Если магнит погаснет, значительный объем жидкого гелия превратится в газ. При гашении магнита сверхпроводящий магнит теряет способность к сверхпроводимости, и накопленная энергия выделяется в виде тепла, которое выкипает из жидкого гелия. Газообразный гелий выходит из магнитного дьюара и заполняет комнату сверху вниз (гелий легче воздуха) и образует облако у потолка. Тушение очевидно: над магнитом образуется большое облако паров гелия, сопровождающееся громким свистящим звуком, который может создать атмосферу с дефицитом кислорода.Если происходит тушение, немедленно покиньте комнату, включите пожарную сигнализацию, чтобы эвакуироваться из здания, и позвоните по номеру 911.

Закалка может серьезно повредить магнит, и предметы из железа попадут в отверстие магнита.

Биоэффекты

Сверхпроводящие магниты, использующие жидкий гелий и / или азот, представляют дополнительную проблему безопасности при работе с криогенными жидкостями. Прямой контакт с кожей или тканями глаза может вызвать серьезные повреждения в результате обморожения (повреждение тканей от замерзания).При сильном обморожении поврежденные ткани могут нуждаться в ампутации. Вдыхание концентрированных криогенных газов может вызвать потерю сознания и (в конечном итоге) смерть из-за кислородного голодания (удушье).

Вентиляция помещения

В целом, пять полных замен воздуха в помещении в час считается достаточным для борьбы с небольшими разливами или выбросами криогенов. В случае серьезного выброса персонал должен немедленно покинуть помещение и держать двери открытыми. Если существует риск катастрофического выброса, следует рассмотреть возможность использования вспомогательной вентиляции для предотвращения образования атмосферы с дефицитом кислорода.

Дьюарс

Емкости для перевозки криогенов должны быть металлическими. Стекло Дьюара может легко взорваться, что приведет к серьезным травмам. Все устройства Дьюара должны иметь соответствующие вентиляционные отверстия. Невентилируемые емкости могут разорваться, когда жидкость нагреется и расширится. Необходимо постоянно следить за всеми перемещениями криогенов, чтобы предотвратить проливание или замерзание клапанов.

Средства индивидуальной защиты

При работе с криогенами используйте изолирующие перчатки, маску для лица или другие средства защиты глаз / лица от брызг, обувь с закрытым носком и лабораторные халаты.

Проблемы электробезопасности

Источники питания

Хотя источники питания, используемые для магнитов ЯМР, работают при относительно низких напряжениях (примерно 10 В), используемый ток очень высок (примерно 100 А). При контакте с тканями человека высокая сила тока чрезвычайно опасна.

Кабели, провода и соединители

Все кабели, провода и разъемы должны быть должным образом изолированы, чтобы предотвратить контакт с рабочим током. Их следует регулярно проверять, чтобы гарантировать целостность изоляции.Во избежание возникновения дуги никогда не разрывайте соединения, не отключив предварительно питание обрабатываемой цепи.

Блокировка, бирка

При работе с оборудованием, которое приводится в действие опасным источником энергии, необходимо соблюдение процедур блокировки и маркировки.

Прочие вопросы безопасности

Противопожарная защита

Держите поблизости огнетушитель класса C на случай возгорания электрического тока. Перед попыткой тушения электрического пожара необходимо отключить питание.Весь персонал должен быть обучен процедурам противопожарной защиты и эвакуации.

Проблемы, связанные с землетрясением

Магниты в сборе могут весить несколько тонн и должны быть закреплены, чтобы они не сдвинулись или опрокинулись во время землетрясения; при их размещении следует учитывать конструкционные стальные опоры. Источники питания также должны быть защищены от движения во время землетрясения.

Акустический шум

Переключение градиентов поля вызывает изменение силы Лоренца, действующей на градиентные катушки, вызывая незначительные расширения и сжатия катушки.Поскольку переключение обычно происходит в слышимом диапазоне частот, возникающая в результате вибрация вызывает громкие шумы (щелчки, стук или звуковой сигнал). Это наиболее заметно в машинах с сильным полем и методах быстрого получения изображений, в которых уровни звукового давления могут достигать 120 дБ (A) (децибелы, взвешенные по шкале А), что эквивалентно реактивному двигателю при взлете; Следовательно, во время обследования всем, кто находится в комнате со сканером МРТ, необходима соответствующая защита слуха.

Радиочастота

RF сам по себе не вызывает слышимых шумов (по крайней мере, для людей), поскольку современные системы используют частоты 8.5 МГц (система 0,2 Тл) или выше. ВЧ-мощность, которая может быть произведена, соответствует мощности многих небольших радиостанций (15–20 кВт). В результате присутствуют тепловые эффекты со стороны РФ. В большинстве импульсных последовательностей нагрев незначителен и не превышает рекомендаций Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США.

При использовании ВЧ-катушек существует вероятность поражения электрическим током, поэтому необходимо надлежащее заземление и изоляция катушек. Любое повреждение катушек или их кабелей требует незамедлительного внимания. Прикрепление кабеля к катушке может привести к ожогам любого, кто к ним прикоснется.Лучше избегать любого контакта с кабелями РЧ катушки.

Средства контроля воздействия

Два подхода к контролю воздействия – это использование технических средств контроля (например, экранирование) и административных средств контроля (например, средств индивидуальной защиты).

Средства инженерного контроля

Экранирование

Магнитные поля контролируются с помощью проницаемого сплава, который ограничивает линии магнитного потока и отклоняет их. Магнитное экранирование может быть выполнено с использованием сплавов с высоким содержанием никеля, называемых мю-металлом или мягким железом.Превращение мю-металла в сложный экран стоит дорого, и мю-металл легко повреждается. Такое экранирование лучше всего применять рядом с источником поля, когда это возможно. Другой подход заключается в использовании непроницаемых металлов, таких как медь или алюминий, для создания вихревых токов, которые нейтрализуют исходное магнитное поле.

Защита от закалки

Чтобы избежать ситуации гашения, используйте систему датчиков уровня криогенного вещества для обнаружения гашения и запуска снижения тока и накопленной магнитной энергии, чтобы предотвратить выгорание проводника.Всегда заправляйте или обесточивайте магнит, если на датчиках указывается низкий уровень криогенного вещества.

Примеры технических средств контроля сверхпроводящих магнитов:

  • Установка вентиляционного отверстия для продувки жидким гелием для выхода избыточного газообразного гелия через выхлопное отверстие, выходящее через крышу
  • Внутренние датчики для индикации низкого уровня жидкого гелия
  • Визуальная и звуковая сигнализация
  • Надежный контроль доступа, такой как запертые двери и ограниченный доступ только для уполномоченного персонала
Электрическое заземление

Металлические конструкции, вызывающие удары при контакте, должны быть электрически заземлены или изолированы.

Блокировки

Области, где воздействие полей 60 Гц на все тело превышает 25 кВ / м или 1 мТл (10 G), должны быть ограничены положительными средствами, такими как запертые корпуса, блокировки или предохранительные цепи.

Административный контроль

Обозначение площади
Пример линии 5 гаусс, обозначенной цепочкой

В рамках процесса проектирования статическое магнитное поле в помещении должно быть определено путем измерения или расчетов, если существует опасность для кардиостимулятора (> 5 G) и кинетической энергии (> 30 G).Также необходимо определить места, где может произойти чрезмерное облучение всего тела (> 600 G).

Инструменты и намагничиваемые предметы нельзя хранить в местах, где присутствуют повышенные статические магнитные поля.

Если установлено, что требуется экранирование, следует нанять опытную консалтинговую фирму для разработки экранирования магнитного поля.

Должны быть приняты меры для защиты и ограничения доступа пользователей кардиостимуляторов к местам, где магнитные поля всего тела превышают 5 G.Линия 5 G представляет собой разграничение между неконтролируемыми и контролируемыми зонами и должна быть четко обозначена. Для полей с экспозицией менее 5 G никаких настроек или проводки не требуется.

В дополнение к предупреждающим знакам, размещенным на дверных проемах, требуется другой способ обозначения линии 5G вокруг магнита. Например, можно использовать нарисованную линию или ленту, размещенную на полу вокруг магнита, где поле составляет 5 G. Другой пример – цепь, веревка или забор, обозначающий линию 5G вокруг магнита.

Какой бы метод ни использовался, выход из зоны в случае чрезвычайной ситуации не должен блокироваться или предотвращаться.

Знаки опасности

Предупреждающий знак должен быть вывешен у входа в лаборатории или помещения, где магнитные поля превышают любые из указанных выше пределов. Зоны, где существуют потенциальные механические опасности, должны быть четко обозначены. Инструменты, баллоны со сжатым газом и другие изделия из магнитопроницаемого материала не должны находиться в таких местах.

Предупреждающие знаки должны быть вывешены в местах, где напряженность магнитного поля может превышать 0,5 мТл (5 Гс), и / или в местах, где электрические поля 60 Гц превышают 1 кВ / м, что подтверждается измерениями или расчетами, предупреждая людей с кардиостимуляторами или других медицинских работников. электронные имплантаты, чтобы держаться подальше.

Предупреждающие знаки должны быть вывешены там, где электрические поля превышают 5 кВ / м, предупреждая людей о возможности возникновения раздражающих искр.

Люди с кардиостимуляторами не должны находиться в местах, где магнитные поля 60 Гц превышают 0.1 мТл (1 Гс), что подтверждается измерением или расчетом.

Области, где воздействие полей 60 Гц на все тело превышает 25 кВ / м или 1 мТл (10 G), должны быть ограничены положительными средствами, такими как запертые корпуса, блокировки или предохранительные цепи.

Зоны, где магнитные поля превышают 3 мТл, должны быть обследованы, чтобы определить, где существуют потенциальные механические опасности. Люди с металлическими медицинскими имплантатами не должны находиться в местах, где напряженность поля превышает 3 мТл (30 G).

Руководство по использованию предупреждающих знаков

Примеры знаков, предупреждающих об опасности, показаны ниже.


Оборудование, которое может создавать электрические поля с частотой 60 Гц выше 2,5 кВ / м или магнитные поля выше 0,1 мТл (1 G), должно иметь маркировку или предупреждающий знак.

Примеры этикеток показаны ниже.

Световой сигнализатор с подсветкой

Некоторые электромагниты обозначаются мигающей красной сигнальной лампой, которая загорается, когда на магнит подается напряжение. Магниты, создающие сильное статическое магнитное поле, обычно обесточиваются, когда может произойти облучение персонала (т.например, во время длительных простоев, связанных с работой акселератора).

Личная защитная одежда

При работе с криогенами надевайте изолирующие перчатки и маску для лица или другие средства защиты глаз / лица от брызг, обувь с закрытыми носками и лабораторные халаты.

Изоляционная одежда и оборудование должны использоваться в областях, где электрические поля 60 Гц превышают 5 кВ / м, как показывают измерения или вычисления. Изолирующие перчатки или, предпочтительно, специальные средства управления (например, кожух или экранирование источника поля) должны использоваться, чтобы избежать контакта с объектами, которые могут подвергнуть персонал воздействию искр, связанных с напряженностью поля более или равной 5 кВ / м.

Список литературы
  1. 10 CFR 851 Безопасность и здоровье работников – Министерство энергетики, § 851.23 Стандарты безопасности и здоровья.
  2. Американская конференция государственных специалистов по промышленной гигиене (ACGIH) TLV и BEI – 2016 , включенные посредством ссылки 10 CFR 851 Безопасность и здоровье рабочих – Министерство энергетики, §851.27.
  3. TLV и BEI ACGIH – 2012.
  4. Руководство ICNIRP по пределам воздействия статических магнитных полей .

Оставить комментарий