Условия возникновения магнитного поля: fkn+antitotal | студентам & программистам

Содержание

Физика 10 Магнитное поле краткосрочный план

План изложения нового материала:

–     Какая связь существует между электрическим током и магнит­ным полем?

 

Работа с классом. Класс делится на 2 группы, каждая группа должна написать на А4 все свойства которыми владеет магнитные материалы.

В числе перечисленных должны быть ниже перечисленные свойства. На основании опытных исследований Гильберт установил простейшие свойства магнитных материалов:

а)  магнитное притяжение и отталкивание присущи только некоторым телам: железной руде, железу, стали и некоторым сплавам;

б) магнит имеет по крайней мере два полюса: северный и южный;

в)  одноименные полюса магнитов отталкиваются, а разноименные -притягиваются;

г) свободно подвешенный магнит ориентируется определенным образом относительно стран света.

 

Ø  Связь электрических и магнитных явлений.

 

Группа 1.   Демонстрация опыта Эрстеда.

Прямое экспериментальное обнаружение связи между электрическими и магнитными явлениями произошло благодаря счастливой случайности: когда Эрстед читал лекцию о постоянных токах, он обратил внимание на То, что  магнитная стрелка, находившаяся вблизи проводника, повернулась при  включении тока.

 

 Учитель проводит фронтальный опрос. А через что передается действие одного магнита на другой? Как, например, Земля заставляет “чувствовать” свой магнетизм стрелку компаса? Что является посредником при передаче этого действия?

 

 

 

 

 

Группа 2. Демонстрация опыта  Ампера.

После того, как были обнаружены взаимодействия магнита с магнитом и  электрического тока с магнитом, возник вопрос: будет ли иметь место магнитное взаимодействие между электрическими токами?

Положительный ответ на этот вопрос был получен Ампером, который экспериментально обнаружил, что параллельные проводники с токами взаимодействуют друг с другом.

 

 

Ø Время конспекта. Магнитное поле. Определяющие свойства магнитного поля.

 

 Магнитное поле. На основании опытов необходимо подвести уча­щихся к следующему выводу: 

в пространстве вокруг проводника с током возникают силы, действующие на движущиеся заряды и на магнитную стрелку.

Эти силы получили название магнитных. Таким образом, магнитным полем мы будем называть то состояние пространства, которое дает себя знать действием магнитных сил.

Определяющие свойства магнитного поля таковы:

а) магнитное поле порождается магнитами и токами;

 

б) магнитное поле обнаруживается по действию на магниты и токи.

 

Ø  Направление и линии магнитного поля.

 Из опытов видно, что магнитная стрелка, которая может свободно вра­щаться вокруг своей оси, всегда устанавливается, ориентируясь определенным образом, в данной области магнитного поля.

Исходя из этого, вводится поня­тие о направлении магнитного поля в данной точке. Необходимо запомнить, что направление, на которое указывает северный полюс магнитной стрелки, является направлением магнитного поля в данной точке.

Используя железные опилки, следует показать учащимся спектр маг­нитного поля прямого тока и ввести понятие о линиях магнитного поля.

 

Составить диаграмму Венна, отличие между электрическим током и магнитным током.

Линиями магнитного поля являются линии, проведенные так, что касательные к ним в каждой точке указывают направление поля в этой точке.

После введения понятия линий магнитного поля надо показать графиче­ское изображение магнитных полей и ввести правило для определения на­правления линий магнитного поля. Например, правило «обхвата» правой рукой: если правой рукой мысленно «обхватить» проводник так, чтобы большой палец был направлен по току, то четыре пальца покажут на­правление линий магнитного поля.

При этом следует обратить особое внимание учащихся на отличие ли­ний магнитного поля от силовых линий электрического поля: линии маг­нитного поля либо замкнуты, либо начинаются и заканчиваются на беско­нечности.

Разумеется, необходимо объяснить, что линии магнитного поля реально не существуют, они всего лишь удобный способ его описания.

 

         

 

Кольца Сатурна помогли определить строение его ядра

Автор фото, Getty Images

Точно так же, как землетрясения сотрясают поверхность нашей планеты, колебания внутри Сатурна слегка раскачивают газовый гигант. Эти движения, в свою очередь, вызывают волнообразные возмущения в кольцах Сатурна.

Наблюдая за этими волнами, ученые из Калифорнийского технологического института сумели измерить размер и форму ядра планеты – и оно оказалось намного больше и причудливее, чем считалось ранее.

По словам ученых, природа этих возмущений предполагает, что ядро, несмотря на колебания, состоит из стабильных слоев различной плотности. Более тяжелые материалы располагаются у центра планеты и не смешиваются с более легкими материалами ближе к поверхности.

В новом исследовании использовались данные зонда НАСА “Кассини”, который обращался вокруг Сатурна и его спутников в течение 13 лет – с 2004 по 2017 год. В 2013 году удалось обнаружить, что внутреннее кольцо Сатурна, D-кольцо, колеблется таким образом, что это нельзя полностью объяснить гравитационным влиянием спутников планеты.

Авторы нового исследования сосредоточились на кольцах Сатурна, чтобы получить представление о происходящих внутри планеты процессах.

Ядро

Огромное ядро Сатурна составляет до 60% диаметра планеты. По-видимому, оно состоит из льда, твердых пород и газа, смешанных в жидкий “суп” с размытыми краями.

Характеристики и размеры ядра Сатурна заставили ученых по-новому взглянуть на процессы, которые привели к образованию планеты и помогают ей генерировать свое удивительно однородное магнитное поле.

Автор фото, Caltech/R. Hurt (IPAC)

Для исследования внутреннего строения Сатурна ученые обратились к его кольцам. Они действуют как своего рода сейсмограф, регистрируя внутренние колебания и пульсации газового гиганта. Анализ этих возмущений позволил уточнить объем ядра Сатурна – примерно в 17 раз больше объема Земли, и выяснить, что это не компактная смесь камня и металла, как считалось ранее.

Теперь ученым предстоит понять, как планеты-гиганты могут дорастать до своих огромных размеров с такими подвижными ядрами. Более того, новая модель ядра Сатурна не укладывается в наши представления о том, как планета поддерживает свое загадочное магнитное поле.

Кольца

Кольца Сатурна вращаются вокруг планеты и издалека выглядят цельными. В действительности они состоят из множества ледяных осколков, некоторые размером с дома, другие меньше, чем галька. Их структура определяется гравитационным взаимодействием с планетой и ее лунами. Некоторые из этих лун “вырезают” пустоты в кольцах, другие ограничивают их рост и делают кольца похожими на, собственно, кольца – с ярко выраженными краями.

По кольцам также можно наблюдать за тем, что происходит внутри планеты. Обычно для этого ученые используют колебания гравитационного поля планеты, но с газовыми гигантами этот метод не работает. Кольца же, вернее, их колебания, дают возможность заглянуть под поверхность.

В начале 1990-х годов ученый-планетолог Марк Марли предположил, что возмущения во внутренней структуре Сатурна могут создавать наблюдаемую рябь в С-кольце планеты, представляющую собой широкое, но тусклое кольцо. Перемещающиеся относительно друг друга внутренности планеты заставляют ее пульсировать. Эти колебания взаимодействуют с кольцевыми частицами и формируют внутри С-кольца так называемые спиральные волны плотности, похожие на рябь на поверхности воды.

Все эти идеи “оказались стопроцентно правильными”, говорит Манкович. Но для подтверждения предсказаний потребовалось два десятка лет и многомиллиардная космическая миссия.

Кроносейсмология

В 2013 году, изучая данные с зонда “Кассини”, ученые обнаружили первые признаки сейсмических возмущений в кольцах и воспользовались этим, чтобы заглянуть внутрь планеты. Для описания этой новой области исследований был придуман термин “кроносейсмология”. Ученым удалось связать большинство наблюдаемых волн с движением внутри планеты. В 2019 году с помощью методов кроносейсмологии удалось точно установить период обращения Сатурна: 10 часов 33 минуты.

Этих волн в кольцах Сатурна оказалось около двух десятков, что примерно соответствовало прогнозам. Но среди них оказалась как минимум одна “неучтенная”, которую Манкович и его коллега Джим Фуллер использовали, чтобы заглянуть прямо в сердце Сатурна.

Объяснить происхождение этой дополнительной волны можно, только предположив наличие у Сатурна сложного по строению и неоднородного ядра, говорит сам Марли, который рецензировал работу Манковича и Фуллера.

Автор фото, NASA/JPL-Caltech/SSI

Подпись к фото,

Этот снимок зонд “Кассини” сделал в 2012 году.

С помощью этой “ряби” на кольцах Сатурна Манкович и Фуллер установили, что ядро занимает большую часть планеты. Вопреки ожиданиям ядро представляет собой диффузную жидкую смесь водорода, гелия, льда и горных пород, а не каменно-железный монолит. Если “разрезать” Сатурн пополам, отдельных слоев, как у луковицы или ядра Земли, увидеть не получится. Ядро Сатурна не имеет четкой границы, и чем ближе к его центру, тем плотнее материал.

При исключительно высоких температурах и давлении в ядре Сатурна газы ведут себя скорее как жидкие металлы, и ядро представляет собой смесь экзотических материалов, которые трудно воспроизвести в лабораториях на Земле. Манкович говорит, что полученная ими картина оказалась столь странной, что он и Фуллер поначалу попытались найти другое объяснение сейсмическим возмущениям в кольцах.

Новая модель ядра Сатурна, однако, прекрасно сочетается с огромным количеством предыдущих наблюдений за гравитационным полем планеты и перекликается с данными с космического зонда “Юнона”, согласно которым ядро Юпитера тоже может представлять собой похожую диффузную смесь ингредиентов.

У Юпитера, однако, колец нет. “Придется взорвать одну из маленьких лун Юпитера, – шутит Марли, – чтобы создать кольцо, которое будет регистрировать пульсации его ядра”.

Происхождение

Как считается, жизнь газового гиганта начинается с газопылевого облака, которое становится все более массивными и компактным, пока не подберет все близлежащие “стройматериалы”. Но пока не ясно, может ли у планеты, появившейся таким образом, быть такое сложное ядро.

Возможно, ядро Сатурна за 4,5 миллиарда лет жизни медленно растворялось в жидком металлическом водороде или изменялось в ходе других, пока неизвестных процессов. “Мы пока просто этого не знаем”, – говорит Манкович.

Автор фото, NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

Подпись к фото,

Четвертый по величине спутник Сатурна, Диона, на фоне самого большого спутника планеты, Титана, и самого Сатурна. Фотографию сделал зонд “Кассини” в 2011 году

Другой сюрприз заключается в том, что, согласно выводам Манковича и Фуллера, ядро не является конвективным, что означает, что оно не переносит тепло, как ожидалось. Это может объяснить столь мощное излучение Сатурна в инфракрасном диапазоне. “Яркость Юпитера сегодня примерно такая же, как и должна быть спустя 4,5 миллиарда лет, но Сатурн слишком яркий, – говорит Марли. – Поскольку ядро не желает переносить тепло, оно замедляет охлаждение и становится ярче, чем должно быть”.

Магнитное поле

В свою очередь, неконвективное ядро представляет собой серьезную проблему для понимания магнитного поля планеты. Обычно планетарные магнитные поля приводятся в действие “динамо-машиной” – вращающимся конвективным слоем электропроводящей жидкости глубоко внутри ядра планеты. Но, согласно новому исследованию, Сатурн с его неконвективным ядром, занимающим 60% планеты, на такое не способен. Ученые сейчас задаются вопросом, может ли тонкий слой жидкого металлического водорода создавать необходимые условия для возникновения магнитного поля внутри ядра или, возможно, в пограничном с ним слое.

Но даже эти гипотезы не в состоянии объяснить удивительно симметричное магнитное поле Сатурна, которое не похоже на наклонные и неправильные поля Земли и Юпитера. Сложные гипотезы, вроде гелиевого дождя, сглаживающего силовые линии магнитного поля, прежде чем они достигнут поверхности планеты, проблемы не решают.

Ответы на все эти вопросы потребуют тщательного изучения огромного количества информации, собранной зондом “Кассини”, детального моделирования планетных недр с помощью суперкомпьютеров и наблюдений с помощью наземных телескопов. В будущем ученые смогут использовать эти методы для изучения колец других планет – Урана и Нептуна.

Ученые узнали, при каких условиях у Земли могло появиться мощное магнитное поле – Наука

ТАСС, 25 февраля. Физики просчитали свойства силикатных пород при сверхвысоких температурах и давлениях и пришли к выводу, что они должны проводить электричество почти так же хорошо, как это делают металлы. Это объясняет существование мощного магнитного поля в первые эпохи жизни планеты, пишут ученые в статье для научного журнала Nature Communications.

“Магнитное поле Земли существует уже как минимум 3,4 млрд.

лет, однако мы до сих пор не знаем, как оно возникло. Ядро юной планеты было окружено океаном из расплавленных силикатов, которые оставались в подобном виде более миллиарда лет. Наши расчеты показывают, что это море магмы было главным источником магнитного поля Земли в архейскую эру”, – пишут ученые.

В последние годы планетологи и геологи активно пытаются понять, когда наша планета обзавелась мощным магнитным полем. Оно защищает Землю от действия солнечного ветра, частицы которого “обдирают” атмосферу планеты и помогают влаге из нее испаряться в космос, а также мешает достигать поверхности космическим лучам, которые повреждают ДНК клеток и мешают формированию сложных молекул, которые нужны для зарождения жизни.

Точно определить время появления магнитного поля у Земли практически невозможно, так как породы того времени практически не сохранились в ее недрах. Пять лет назад геологи нашли намеки на то, что достаточно сильный “магнитный щит” у нашей планеты появился очень рано, фактически с момента ее возникновения, примерно 4,2 млрд. лет назад. Подобные открытия не убедили скептиков, и споры вокруг времени появления магнитного поля Земли продолжаются до сих пор.

Эти дискуссии во многом связаны с тем, что физики и геологи долгое время предполагали, что мощное магнитное поле у Земли существует благодаря тому, что в ее жидком расплавленном ядре есть твердая внутренняя часть. Она возникла, по разным оценкам ученых, не раньше, чем 3,6 млрд. лет назад, или даже значительно позже, около 1 млрд. лет назад.

Магнитные океаны магмы

Просчитывая свойства различных горных пород, из которых состояла первичная материя Земли в то время, когда она еще не успела застыть и превратиться в привычную нам земную кору и мантию, физики из Великобритании и США нашли возможное объяснение тому, как мощное магнитное поле Земли могло существовать до появления твердого ядра.

Ученых интересовало то, как сильно изменятся физические характеристики этих соединений при экстремально высоких давлениях и температурах, близких к тем, которые сейчас наблюдаются внутри ядра и на его границе с мантией.

Чтобы просчитать подобные свойства, геологи использовали алгоритмы, опирающиеся на законы квантовой механики. Они могут очень точно просчитывать то, как меняются свойства различных материалов при изменении условий среды.

Расчеты указали, что у силикатных пород очень высокая электропроводность при температурах примерно в 4-5 тыс. °С и давлениях больше атмосферного в сотни тысяч раз. Они несколько уступают в этом отношении железу и другим металлам, однако превосходят современные породы мантии и коры в сотни и тысячи раз.

Подобного уровня электропроводности, как показывают выкладки исследователей, вполне хватает для того, чтобы породить магнитное поле той мощности, следы которого “отпечатались” в породах архейской эпохи возрастом в 3,4 млрд. лет. В этом случае источником поля мог быть круговорот силикатных пород, которые циркулировали внутри недр планеты по примерно по таким же принципам, что и потоки железа в современном ядре Земли.

Как отмечают исследователи, конфигурация такого магнитного поля должна была несколько отличаться от его современной структуры. В частности, разница в его силе на экваторе и в приполярных регионах может быть значительно менее выражена. Кроме того, у древнего магнитного поля могло быть не два, а больше полюсов.

Вдобавок, ученые предполагают, что магнитные поля аналогичного рода могут существовать у крупных двойников Земли у далеких звезд, чьи магматические океаны будут застывать значительно дольше из-за того, что они гораздо больше. Поиски и открытие таких планет, как надеются ученые, смогут дополнительно подтвердить их теории.

Отклонение сварочной дуги

Отклонение дуги во время сварки может вызывать множество проблем, в том числе чрезмерное разбрызгивание, недостаточную глубину проплавления, пористость и низкое качество сварных швов. Что это такое и как его можно избежать? В этой статье мы рассмотрим явление отклонения сварочной дуги и несколько способов его устранения для повышения качества сварки.

Отклонение дуги возникает при сварке на постоянном токе, когда дуга следует не кратчайшему пути от электрода к рабочему изделию, а отклоняется вперед, назад или, реже, в сторону по отношению к направлению сварки.

Сначала давайте дадим определения некоторым понятиям, связанным с отклонением дуги. Обратное отклонение происходит при сварке по направлению к рабочему соединению, в конце шва или при угловой сварке. Переднее отклонение происходит при сварке по направлению от рабочего соединения или в начале шва. Переднее отклонение может вызвать особенно много проблем при сварке защищенной дугой металлопрошковыми или другими типами электродов с обильным образованием шлака, когда тяжелый шлак или кратер приходится перемещать вперед под дугу.


Магнитное отклонение дуги
Магнитное отклонение происходит из-за искажений магнитного поля вокруг сварочной дуги. Эти искажения возникают из-за того, что в большинстве случаев дуга оказывается на большем расстоянии от одного конца соединения, чем от другого, и непостоянного расстояния от рабочей клеммы. Дисбаланс также может быть вызван постоянными изменениями направления тока в цепи между электродом, дугой и рабочим изделием.

Визуализация магнитного поля
Чтобы понять, почему происходит отклонение дуги, нужно представить себе магнитное поле. На Рисунке 3-37 показан проводник (который может представлять собой электрод или поток плазмы между электродом и сварным соединением), через который проходит постоянный ток. Проводник при этом окружает магнитное поле, которое можно изобразить в виде концентрических силовых линий на плоскости под прямым углом к направлению тока. Интенсивность магнитного поля уменьшается по мере удаления от проводника.

Концентрические линии магнитного поля будут сохранять форму круга только в том случае, если среда вокруг них достаточно велика для того, чтобы вместить все эти линии, пока их интенсивность не станет равна практически нулю. Но если эта среда неоднородна, например, если линии переходят из стальной пластины в воздух, они исказятся и окажутся более сконцентрированы в металле, где им приходится преодолевать меньшее сопротивление. На границе между стальной пластиной и воздухом магнитные силовые линии сужаются и теряют свою круглую форму. Такое сужение приводит к повышению интенсивности магнитного поля позади или перед сварочной дугой. Из-за этого дуга смещается в направлении, которое уменьшило бы концентрацию и восстановило баланс магнитного поля. Другими словами, дуга смещается в сторону, противоположную зоне повышенной концентрации магнитного поля. Это смещение и называется отклонением дуги.

  

       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На Рисунке 3-38 изображено вытягивание и искажение магнитного поля в начале и конце сварного соединения. В начале сварки силовые линии магнитного поля оказываются сконцентрированы позади электрода. Дуга пытается скомпенсировать этот дисбаланс и смещается вперед. По мере приближения электрода к концу шва повышенная концентрация перемещается в пространство перед дугой, из-за чего дуга смещается назад. В середине шва, на одинаковом расстоянии от концов соединения, магнитное поле симметрично и переднего или обратного смещения дуги обычно не возникает. Однако, если материал с одной стороны соединения шире, а с другой – уже, даже в середине шва возникнет боковое смещение.


Влияние тока в рабочем изделии
«”Вытягивание” » также может возникать из-за электрического тока внутри рабочего изделия. Как показано на Рисунке 3-39, этот ток, который проходит через все изделие к клемме, также образует магнитное поле. Жирная линия означает путь сварочного тока, тонкая – созданное этим током магнитное поле. Так как ток меняет направление, то есть делает поворот в точке между дугой и рабочим изделием, в точке X возникает повышенная концентрация магнитного поля, которая вызывает смещение сварочной дуги в сторону от рабочего изделия, как это показано на рисунке.

Смещение дуги из-за этого эффекта накладывается на смещение, вызванное вышеописанным воздействием сконцентрированного магнитного поля. Таким образом влияние тока в изделии может снизить или еще больше увеличить смещение дуги из-за магнитного поля. Но если обратный ток научиться контролировать, его можно использовать как способ регулировать смещение дуги, который особенно хорошо подходит для автоматических процессов сварки.

 

   

   

На Рисунке 3-40(a), рабочий кабель подключен к начальной точке шва, а магнитное поле, вызванное током внутри изделия, направлено назад от дуги. При этом возникает переднее смещение дуги. Однако у конца шва общее смещение будет минимальным, так как это переднее смещение компенсирует обратное смещение, вызванное высокой концентрацией магнитного поля при приближении дуги к краю рабочего изделия – см. Рисунок 3-41(a). На Рисунке 3-40(b), рабочий кабель подключен к конечной точке шва, что приводит к обратному смещению. В таком случае в конце сварного шва это приводит к еще большему обратному смещению из-за магнитного поля дуги.

 

 

Подобное «”наложение”» магнитных полей показано на Рисунке 3-41(b). Однако рабочее соединение со стороны конца шва может помочь снизить переднее смещение дуги в начале сварки.

Так как воздействие тока в рабочем изделии менее заметно, чем сконцентрированного магнитного поля вокруг дуги, расположение рабочего соединения позволяет регулировать смещение дуги лишь в какой-то степени. Для полного устранения смещения дуги во время сварки также нужно использовать и другие способы.


Другие проблемные зоны

Угловые и стыковые соединения с глубоким V-образным зазором
В каких еще случаях может происходить смещение дуги? Оно часто наблюдается при угловой сварке и в сварных соединениях, для которых требуется глубокий сварной шов. Причина этому точно такая же, как и в предыдущем случае – высокая концентрация силовых линий магнитного поля и смещение дуги для снижения этой концентрации. На Рисунках 3-42 и 3-43 показаны ситуации, в которых при использовании постоянного тока высока вероятность отклонения дуги.

 

          

 

Высокая сила тока
При низкой силе тока отклонение дуги ниже, чем при высокой. Почему? Потому что интенсивность магнитного поля на заданном расстоянии от проводника электрического тока пропорциональна квадрату силы сварочного тока. При ручной сварке на постоянном токе серьезные проблемы с отклонением дуги обычно возникают только при силе тока выше 250 ампер (это не точная цифра, так как на отклонение дуги также сильно влияют тип и геометрия соединения).

Постоянный ток
Переход на переменный ток часто приводит к значительному снижению отклонения дуги. Из-за постоянных смен полярности ток в металле основы начинает двигаться в форме вихрей. Для таких вихревых потоков характерно довольно слабое магнитное поле, которое не оказывает на дугу значительного влияния.

Чувствительные к магнитному воздействию материалы
Некоторые материалы, например, 9-процентные никелевые сплавы, очень чувствительны к магнитному воздействию и очень легко намагничиваются внешними магнитными полями, например, от кабелей питания и т. п. При сварке таких материалов могут возникнуть большие сложности в связи с отклонением дуги из-за намагниченного материала. Такие поля можно легко выявить и измерить недорогими ручными измерителями магнитной индукции. Интенсивности поля более 20 Гс обычно достаточно для того, чтобы оно могло вызвать сложности со сваркой.


Термическое отклонение дуги
Мы уже рассмотрели самый распространенный тип отклонения сварочной дуги – магнитный, но с чем еще может столкнуться сварщик? Второй тип – это термическое отклонение дуги. По законам физики ток между электродом и рабочей пластиной проходит между самыми горячими точками на их поверхности. Во время перемещения электрода дуга обычно от него несколько отстает. Это отставание вызвано «нежеланием» дуги сдвигаться на более холодное место. Пространство между кончиком электрода и горячей поверхностью расплавленного металла ионизируется и поэтому имеет более высокую электропроводимость, чем возле более холодных участков пластины. При ручной сварке небольшое термическое обратное отклонение из-за отставания дуги не принесет большого вреда, но оно может стать серьезной проблемой при высокоскоростной автоматической сварке или если термическое обратное отклонение накладывается на магнитное обратное отклонение.””

Отклонение при многодуговой сварке
В новейших системах сварки для повышения производительности применяется метод многодуговой сварки. Такой процесс тоже может приводить к отклонению дуг. В частности, когда две дуги работают в непосредственной близости друг от друга, их магнитные поля начинают взаимодействовать, что приводит к отклонению обеих дуг.

Если рядом находятся две дуги разной полярности, как показано на Рисунке 3-44(a), магнитные поля между дугами заставят их отклониться друг от друга. Если дуги имеют одну полярность, как показано на Рисунке 3-44(b), магнитные поля будут ослаблять друг друга, из-за чего дуги станут притягиваться.

Обычно при использовании двух дуг для одной дуги рекомендуется использовать постоянный ток, а другой – переменный, как это показано на Рисунке 3-44(c). В таком случае магнитное поле дуги с переменным током каждый цикл будет меняться на противоположное и благодаря этому оказывать минимальное воздействие на поле постоянного тока. В результате взаимодействие дуг станет пренебрежимо малым.

Также часто используется конфигурация с двумя дугами на переменном токе. В таком случае помехи между дугами большей частью минимизируются сдвигом фазы тока в одной из дуг на 80-90 градусов по отношению к другой. Для этого используется так называемое автоматическое соединение «”Scott”». Благодаря сдвигу фазы ток и магнитное поле одной дуги достигают максимума в тот момент, когда ток и магнитное поле другой дуги находятся практически в минимуме. Это позволяет свести отклонение к минимуму.


Способы снижения отклонения дуги
Отклонение дуги – не всегда неблагоприятное явление. Более того, в разумных пределах оно помогает создавать швы правильной формы, лучше контролировать расплавленный шлак и глубину проплавления. Но если отклонение дуги вызывает или усиливает такие дефекты, как подрезание, непостоянную глубину проплавления, неровность швов, неравномерную глубину швов, пористость, волнистые швы и избыточное разбрызгивание, с ним нужно бороться.


Возможные способы решения:

Если для сварки в защитных газах используется постоянный ток – особенно силой более 250 ампер – возможно, проблемы можно устранить переходом на переменный ток

Сохраняйте минимальную длину дуги, чтобы ее давление компенсировало отклонение

Уменьшите силу сварочного тока – что может потребовать снижения скорости сварки 

Наклоняйте электрод в противоположном направлении от отклонения дуги, как это показано на Рисунке 3-45

С обоих концов шва сделайте широкие прихваточные швы и создавайте прихваточные швы вдоль всей длины шва – особенно при некачественной подготовке соединения

Ведите сварку по направлению к широкому прихваточному шву или уже завершенному сварному шву

Используйте обратно-ступенчатую технику сварки, как показано на Рисунке 3-46

Для снижения обратного отклонения ведите сварку по направлению от рабочего соединения, для снижения переднего отклонения – по направлению к рабочему соединению

В случае процессов с обильным образованием шлака может понадобиться умеренное обратное отклонение дуги. Для этого сварку нужно вести по направлению к рабочему соединению

Оберните рабочий кабель вокруг рабочего изделия, чтобы магнитное поле тока, поступающего обратно в источник питания,
компенсировало магнитное поле, вызывающее отклонение дуги

 

 

        

 

Отклонение дуги хорошо заметно при сварке открытой дугой, но в случае сварки под флюсом его выявление может оказаться достаточно сложным. В таком случае оно диагностируется по дефектам сварки.

Для обратного отклонения характерны:

Сильное разбрызгивание
Подрезание, будь то постоянное или перемежающееся
Узкие, высокие сварные швы, часто с подрезанием
Большая глубина проплавления
Пористость поверхности в конце сварного шва на листовом металле

Для переднего отклонения характерны:

Широкий сварной шов с неравномерной шириной
Волнообразная форма шва
Подрезание, обычно перемежающееся
Меньшая глубина проплавления


Влияние креплений на отклонение дуги

В случае отклонения дуги оператор должен помнить о еще одном факторе – влиянии систем фиксации. Стальные крепления для рабочих изделий могут оказывать определенное воздействие на магнитное поле вокруг дуги и, соответственно, ее отклонение. Кроме того, со временем они могут намагнититься. Обычно крепления не вызывают никаких проблем при ручной сварке с силой тока меньше 250 ампер. Крепления для применения при более высокой силе тока должны иметь такую конструкцию, которая не способствовала бы отклонению дуги. Для каждой системы фиксации может потребоваться специальное исследование, которое выявило бы лучший способ устранить помехи для дуги.


При этом нужно учесть следующее:

Конструкция креплений для сварки продольных швов цилиндров (см. Рисунок 3-47) должна предполагать расстояние между опорной балкой и рабочим изделием как минимум 2,5 см.
Зажимы, которые удерживают рабочее изделие, должны быть немагнитными. Рабочий кабель нельзя подключать к медной подкладке –
по возможности соединение должно быть расположено на рабочем изделии.

Крепление должно быть изготовлено из низкоуглеродистой стали. Это позволит избежать накапливания постоянных магнитных свойств.

Сварка по направлению к закрытому концу «”рогообразных”» креплений также помогает снизить обратное отклонение дуги.

Крепление должно быть достаточно длинным для того, чтобы при необходимости можно было использовать конечные опоры.

Не используйте в качестве подкладки медные полосы на стальных балках, как показано на Рисунке 3-48. Стальная часть подкладки лишь усилит отклонение дуги.

Расстояние между зажимами должно быть минимальным. Большие промежутки могут привести к
образованию зазоров и отклонению дуги.

Не используйте системы фиксации с крупными стальными деталями только с одной стороны шва. Сбалансируйте их аналогичной конструкцией с другой стороны.

         

 

Понимание причин отклонения дуги и способов его диагностики позволит операторам полностью его контролировать и создавать сварные швы без связанных с ним дефектов.

2.6: Граничные условия для электромагнитных полей

Введение

Уравнения Максвелла характеризуют макроскопическую материю с помощью ее диэлектрической проницаемости ε, проницаемости μ и проводимости σ, где эти свойства обычно представлены скалярами и могут варьироваться в зависимости от среды. В разделе 2.5 обсуждались среды, для которых ε, μ и σ представлены матрицами, комплексными величинами или другими способами. В этом разделе 2.6 обсуждается, как уравнения Максвелла сильно ограничивают поведение электромагнитных полей на границах между двумя средами, имеющими разные свойства, где эти уравнения связи называются граничным условием s.В разделе 2.6.2 обсуждаются граничные условия, определяющие компоненты поля, перпендикулярные границе, а в разделе 2.6.3 обсуждаются условия, определяющие параллельные компоненты поля. Затем в разделе 2.6.4 рассматривается частный случай полей, прилегающих к идеальным проводникам.

Одним из результатов этих граничных условий является то, что волны на границах обычно частично проходят и частично отражаются с направлениями и амплитудами, которые зависят от двух сред, а также от углов падения и поляризаций. Статические поля также обычно имеют разные амплитуды и направления по обе стороны границы. Некоторые границы как в статических, так и в динамических ситуациях также обладают поверхностным зарядом или переносят поверхностные токи, которые дополнительно влияют на соседние поля.

Граничные условия для перпендикулярных компонент поля

Граничные условия, определяющие перпендикулярные компоненты \ (\ overline E \) и \ (\ overline H \), следуют из интегральных форм законов Гаусса:

\ [\ oiint _ {\ mathrm {S}} (\ overline {\ mathrm {D}} \ bullet \ hat {n}) \ mathrm {d} \ mathrm {a} = \ int \ int \ int _ {\ mathrm {V}} \ rho \ mathrm {d} \ mathrm {v} \ quad \ quad \ quad \ quad \ quad (\ text {Закон Гаусса для} \ overline {\ mathrm {D}}) \]

\ [\ oiint_ {S} (\ overline {\ mathrm {B}} \ bullet \ hat {n}) \ mathrm {d} \ mathrm {a} = 0 \ quad \ quad \ quad \ quad \ quad (\ text {Закон Гаусса для} \ overline {\ mathrm {B}}) \]

Мы можем проинтегрировать эти уравнения по поверхности S и объему V тонкого бесконечно малого дота, показанного на рисунке 2. 6.1. ДОТ параллелен поверхности и охватывает ее по обе стороны от границы. Толщина δ ДОТ приближается к нулю быстрее, чем его площадь поверхности S, где S примерно вдвое больше площади А верхней поверхности коробки.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Элементарный объем для получения граничных условий для перпендикулярных компонент поля.

Начиная с граничного условия для перпендикулярной составляющей D , интегрируем закон Гаусса (2.6.1) над дотом получить:

\ [\ oiint _ {\ mathrm {S}} \ left (\ overline {\ mathrm {D}} \ bullet \ hat {n} _ {a} \ right) \ mathrm {da} \ cong \ left (\ mathrm {D} _ {1 \ perp} – \ mathrm {D} _ {2 \ perp} \ right) \ mathrm {A} = \ int \ int \ int _ {\ mathrm {V}} \ rho \ mathrm {d} \ mathrm {v} = \ rho _ {\ mathrm {s}} \ mathrm {A} \]

, где ρ с – поверхностная плотность заряда [кулоны м –2 ]. Индекс s для поверхностного заряда ρ s отличает его от объемной плотности заряда ρ [C m -3 ]. Дот настолько тонкий (δ → 0), что: 1) вклад в поверхностный интеграл сторон дота исчезает по сравнению с остальной частью интеграла и 2) внутри него может содержаться только поверхностный заряд q, где ρ s = q / A = lim ρδ как плотность заряда ρ → ∞ и δ → 0. Таким образом, (2.6.3) принимает вид D 1⊥ – D 2⊥ = ρ s , что может записать как:

\ [\ left. \ Hat {n} \ bullet \ left (\ overline {\ mathrm {D}} _ {1} – \ overline {\ mathrm {D}} _ {2} \ right) = \ rho_ { \ mathrm {s}} \ quad \ quad \ quad \ quad \ quad \ text {(граничное условие для} \ overline {\ mathrm {D}} _ {\ perp} \ right) \]

, где \ (\ hat {n} \) – единичный верхний слой, нормальный к границе и направленный в среду 1.Таким образом, перпендикулярная составляющая электрического смещения overlinetor \ (\ overline D \) изменяет значение на границе в соответствии с поверхностной плотностью заряда ρ s .

Поскольку законы Гаусса одинаковы для электрического и магнитного полей, за исключением отсутствия магнитных зарядов, тот же анализ плотности магнитного потока \ (\ overline B \) в (2. 6.2) дает аналогичное граничное условие:

\ [\ left. \ Hat {n} \ bullet \ left (\ overline {\ mathrm {B}} _ {1} – \ overline {\ mathrm {B}} _ {2} \ right) = 0 \ quad \ quad \ quad \ quad \ quad \ text {(граничное условие для} \ overline {\ mathrm {B}} _ {\ perp} \ right) \]

Таким образом, перпендикулярный компонент \ (\ overline B \) должен быть непрерывным на любой границе.

Граничные условия для параллельных составляющих поля

Граничные условия, управляющие параллельными компонентами \ (overline E \) и \ (\ overline H \) следуют из законов Фарадея и Ампера:

\ [\ oint_ {C} \ overline {E} \ bullet d \ overline {s} = – \ frac {\ partial} {\ partial t} \ int \ int_ {A} \ overline {B} \ bullet \ hat {n} da \ quad \ quad \ quad \ quad \ quad (\ text {Закон Фарадея}) \]

\ [\ oint _ {\ mathrm {C}} \ overline {\ mathrm {H}} \ bullet \ mathrm {d} \ overline {\ mathrm {s}} = \ int \ int _ {\ mathrm {A}} \ left [\ overline {\ mathrm {J}} + \ frac {\ partial \ overline {\ mathrm {D}}} {\ partial \ mathrm {t}} \ right] \ bullet \ hat {n} \ mathrm {da } \ quad \ quad \ quad \ quad \ quad (\ text {Ampere’s} L aw) \]

Мы можем интегрировать эти уравнения вокруг вытянутого прямоугольного контура C, который охватывает границу и имеет бесконечно малую площадь A, как показано на рисунке 2. 6.2. Мы предполагаем, что общая высота δ прямоугольника намного меньше его длины W и окружности C в правом смысле относительно нормали к поверхности \ (\ hat {n} _ {\ mathrm {a}} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Элементарный контур для получения граничных условий для параллельных компонентов поля.

Начиная с закона Фарадея (2.6.6), находим:

\ [\ oint _ {\ mathrm {C}} \ overline {\ mathrm {E}} \ bullet \ mathrm {d} \ overline {\ mathrm {s}} \ cong \ left (\ overline {\ mathrm {E} } _ {1 / /} – \ overline {\ mathrm {E}} _ {2 / /} \ right) \ mathrm {W} = – \ frac {\ partial} {\ partial \ mathrm {t}} \ int \ int _ {\ mathrm {A}} \ overline {\ mathrm {B}} \ bullet \ hat {n} _ {a} \ mathrm {da} \ rightarrow 0 \]

, где интеграл от \ (\ overline B \) по площади A стремится к нулю в пределе, когда δ также стремится к нулю; в \ (\ overline B \) не может быть импульсов.Поскольку W ≠ 0, из (2.6.8) следует, что E 1 // – E 2 // = 0 или, в более общем случае:

\ [\ left. \ Hat {n} \ times \ left (\ overline {\ mathrm {E}} _ {1} – \ overline {\ mathrm {E}} _ {2} \ right) = 0 \ quad \ quad \ quad \ quad \ quad \ text {(граничное условие для} \ overline {\ mathrm {E}} _ {/ /} \ right) \]

Таким образом, параллельный компонент \ (\ overline E \) должен быть непрерывным на любой границе.

Аналогичное интегрирование закона Ампера (2.6.7) в предположении, что контур C выбран так, чтобы он лежал в плоскости, перпендикулярной поверхностному току \ (\ overline {J} _ {S} \) и проходится в в правом смысле дает:

\ [\ begin {align} \ oint _ {\ mathrm {C}} \ overline {\ mathrm {H}} \ bullet \ mathrm {d} \ overline {\ mathrm {s}} & = \ left (\ overline { \ mathrm {H}} _ {1 / /} – \ overline {\ mathrm {H}} _ {2 / /} \ right) \ mathrm {W} \\ & = \ int \ int _ {\ mathrm {A} } \ left [\ overline {\ mathrm {J}} + \ frac {\ partial \ overline {\ mathrm {D}}} {\ partial \ mathrm {t}} \ right] \ bullet \ hat {n} \ mathrm {da} \ Rightarrow \ int \ int _ {\ mathrm {A}} \ overline {\ mathrm {J}} \ bullet \ hat {n} _ {a} \ mathrm {d} \ mathrm {a} = \ overline { \ mathrm {J}} _ {\ mathrm {S}} \ mathrm {W} \ nonumber \ end {align} \]

, где мы отмечаем, что интеграл площадей от \ (\ partial \ overline {\ mathrm {D}} / \ partial t \) стремится к нулю при δ → 0, но не интеграл по поверхностному току \ (\ overline {\ mathrm {J}} _ {\ mathrm {s}} \), который занимает поверхностный слой, более тонкий по сравнению с δ. Таким образом, \ (\ overline {\ mathrm {H}} _ {1 / /} – \ overline {\ mathrm {H}} _ {2 / /} = \ overline {\ mathrm {J}} _ {\ mathrm {S }} \), или в более общем смысле:

\ [\ left. \ Hat {n} \ times \ left (\ overline {\ mathrm {H}} _ {1} – \ overline {\ mathrm {H}} _ {2} \ right) = \ overline { \ mathrm {J}} _ {\ mathrm {s}} \ quad \ quad \ quad \ quad \ quad \ text {(граничное условие для} \ overline {\ mathrm {H}} _ {//} \ right) \ ]

, где \ (\ hat {n} \) определяется как направление из среды 2 в среду 1. Если среда непроводящая, \ (\ overline {\ mathrm {J}} _ {\ mathrm {s}} = 0 \ ).

Простой статический пример показывает, как эти граничные условия обычно приводят к тому, что поля на двух сторонах границы указывают в разных направлениях. Рассмотрим магнитные поля \ (\ overline {\ mathrm {H}} _ {1} \) и \ (\ overline {\ mathrm {H}} _ {2} \), показанные на рисунке 2.6.3, где \ (\ mu_ {2} \ neq \ mu_ {1} \), и обе среды являются изоляторами, поэтому поверхностный ток должен быть равен нулю. Если нам задано \ (\ overline {\ mathrm {H}} _ {1} \), то величина и угол \ (\ overline {\ mathrm {H}} _ {2} \) определяются, потому что \ ( \ overline {\ mathrm {H}} _ {/ /} \) и \ (\ overline {\ mathrm {B}} _ {\ perp} \) непрерывны по границе, где \ (\ overline {\ mathrm { B}} _ {\ mathrm {i}} = \ mu _ {\ mathrm {i}} \ overline {\ mathrm {H}} _ {\ mathrm {i}} \).{-1} \ left [\ left (\ mu_ {2} / \ mu_ {1} \ right) \ tan \ theta_ {1} \ right] \]

Таким образом, θ 2 приближается к 90 градусам, когда μ 2 >> μ 1 , почти независимо от θ 1 , поэтому магнитный поток внутри материалов с высокой проницаемостью почти параллелен стенкам и удерживается внутри, даже когда ориентация поля вне среды почти перпендикулярна границе раздела. Лучше всего поток выходит из материала с высоким μ, когда θ 1 ≅ 90 °. Это явление имеет решающее значение для конструкции двигателей или других систем, содержащих железо или никель.

Если статический поверхностный ток \ (\ overline {\ mathrm {J}} _ {\ mathrm {S}} \) течет на границе, то отношения между \ (\ overline {\ mathrm {B}} _ {1 } \) и \ (\ overline {\ mathrm {B}} _ {2} \) изменяются вместе с таковыми для \ (\ overline {\ mathrm {H}} _ {1} \) и \ (\ overline { \ mathrm {H}} _ {2} \). Аналогичные соображения и методы применимы к статическим электрическим полям на границе, где любой статический поверхностный заряд на границе изменяет соотношение между \ (\ overline {\ mathrm {D}} _ {1} \) и \ (\ overline {\ mathrm {D}} _ {2} \).Поверхностные токи обычно возникают только в нестатических или «динамических» случаях.

Пример \ (\ PageIndex {A} \)

Две изолирующие плоские диэлектрические пластины с ε 1 и ε 2 скреплены между собой. Плита 1 имеет \ (\ overline {\ mathrm {E}} _ {1} \) под углом θ 1 к нормали к поверхности. Что такое \ (\ overline {\ mathrm {E}} _ {2} \) и θ 2 , если принять поверхностный заряд на границе ρ s = 0? Каковы компоненты \ (\ overline {\ mathrm {E}} _ {2} \) \), если ρs ≠ 0?

Решение

\ (\ overline {\ mathrm {E}} / / \) непрерывно на любой границе, и если ρs = 0, то \ (\ overline {\ mathrm {D}} _ {\ perp} = \ varepsilon_ {\ mathrm {i}} \ overline {\ mathrm {E}} _ {\ perp} \) также является непрерывным, что означает \ (\ overline {\ mathrm {E}} _ {2 \ perp} = \ left ( \ varepsilon_ {1} / \ varepsilon_ {2} \ right) \ overline {\ mathrm {E}} _ {1 \ perp} \). {-1} \ left [\ left (\ varepsilon_ {2} / \ varepsilon_ {1} \ right) \ tan \ theta_ {1} \ right] \). Если ρ s ≠ 0, то \ (\ overline {\ mathrm {E}} _ {/ /} \) не затронут и \ (\ overline {\ mathrm {D}} _ {2 \ perp} = \ overline { \ mathrm {D}} _ {1 \ perp} + \ hat {n} \ rho _ {\ mathrm {s}} \) так, чтобы \ (\ overline {\ mathrm {E}} _ {2 \ perp} = \ overline {\ mathrm {D}} _ {2 \ perp} / \ varepsilon_ {2} = \ left (\ varepsilon_ {1} / \ varepsilon_ {2} \ right) \ overline {\ mathrm {E}} _ {1 \ perp} + \ hat {n} \ rho _ {\ mathrm {s}} / \ varepsilon_ {2} \).

Граничные условия вблизи идеальных проводников

Четыре граничных условия (2.6.4), (2.6.5), (2.6.9) и (2.6.11) упрощаются, когда одна среда является идеальным проводником (σ = ∞), поскольку электрические и магнитные поля внутри нее должны быть равны нулю. Электрическое поле равно нулю, потому что в противном случае оно создало бы огромные \ (\ overline {\ mathrm {J}} = \ sigma \ overline {\ mathrm {E}} \), чтобы перераспределить заряды и нейтрализовать эти \ (\ overline E \) почти мгновенно с постоянной времени \ (\ tau \) = εσ секунд, как показано в уравнении (4. 3.3).

Также легко показать, что \ (\ overline B \) равен нулю внутри идеальных проводников.Закон Фарадея гласит: \ (\ nabla \ times \ overline {\ mathrm {E}} = – \ partial \ overline {\ mathrm {B}} / \ partial \ mathrm {t} \), поэтому если \ (\ overline E \) = 0, то \ (\ partial \ overline {\ mathrm {B}} / \ partial \ mathrm {t} = 0 \). Если бы идеальный проводник был создан в отсутствие \ (\ overline B \), то \ (\ overline B \) всегда оставался бы нулевым внутри. Далее было замечено, что когда некоторые специальные материалы становятся сверхпроводящими при низких температурах, как обсуждалось в разделе 2.5.2, любые ранее существовавшие \ (\ overline B \) выталкиваются наружу.

Граничные условия для идеальных проводников также актуальны для нормальных проводников, потому что большинство металлов имеют достаточную проводимость σ, чтобы позволить \ (\ overline J \) и ρ s подавить падающее электрическое поле, хотя и не мгновенно. Как обсуждалось в разделе 4. 3.1, этот релаксационный процесс, с помощью которого заряды перемещаются для уничтожения \ (\ overline E \), является достаточно быстрым для большинства металлических проводников, поэтому они в значительной степени подчиняются граничным условиям идеального проводника для большинства рассматриваемых длин волн, от постоянного тока до за пределами инфракрасной области.Эта постоянная времени релаксации равна \ (\ tau \) = ε / σ секунд. Одним из следствий конечной проводимости является то, что любой поверхностный ток проникает в металлы на некоторую глубину \ (\ delta = \ sqrt {2 / \ omega \ mu \ sigma} \), называемую глубиной скин-слоя, как обсуждалось в разделе 9.2. На достаточно низких частотах даже морская вода с ее ограниченной проводимостью в значительной степени подчиняется граничному условию идеального проводника.

Четыре граничных условия для полей, прилегающих к идеальным проводникам, представлены ниже вместе с более общим граничным условием, из которого они следуют, когда все поля в среде 2 равны нулю:

\ [\ hat {n} \ bullet \ overline {\ mathrm {B}} = 0 \ quad \ quad \ quad \ quad \ quad \ left [\ text {from} \ hat {n} \ bullet \ left (\ overline {\ mathrm {B}} _ {1} – \ overline {\ mathrm {B}} _ {2} \ right) = 0 \ right] \]

\ [\ hat {n} \ bullet \ overline {\ mathrm {D}} = \ rho _ {\ mathrm {s}} \ quad \ quad \ quad \ quad \ quad \ left [\ text {from} \ hat { n} \ bullet \ left (\ overline {\ mathrm {D}} _ {1} – \ overline {\ mathrm {D}} _ {2} \ right) = \ rho _ {\ mathrm {s}} \ right] \]

\ [\ hat {n} \ times \ overline {\ mathrm {E}} = 0 \ quad \ quad \ quad \ quad \ quad \ left [\ text {from} \ hat {n} \ times \ left (\ overline {\ mathrm {E}} _ {1} – \ overline {\ mathrm {E}} _ {2} \ right) = 0 \ right] \]

\ [\ hat {n} \ times \ overline {\ mathrm {H}} = \ overline {\ mathrm {J}} _ {\ mathrm {S}} \ quad \ quad \ quad \ quad \ quad \ left [ \ text {from} \ hat {n} \ times \ left (\ overline {\ mathrm {H}} _ {1} – \ overline {\ mathrm {H}} _ {2} \ right) = \ overline {\ mathrm {J}} _ {\ mathrm {S}} \ right] \]

Эти четыре граничных условия устанавливают, что магнитные поля могут быть параллельны только идеальным проводникам, а электрические поля могут быть только перпендикулярными. {2} / 2 \), являются обязательный; Однако статические \ (\ overline E \) и \ (\ overline B \) не ограничены.Поскольку \ (\ nabla \ times \ overline {\ mathrm {H}} = 0 = \ overline {\ mathrm {J}} + \ partial \ overline {\ mathrm {D}} / \ partial \ mathrm {t} \) внутри тоже динамические \ (\ overline E \) и \ (\ overline D \) = 0. Поскольку \ (\ overline {\ mathrm {H}} _ {/ /} \) и \ (\ overline {\ mathrm {B}} _ {\ perp} \) непрерывны по границе, \ (\ overline {\ mathrm {H}} _ {/ /} = 0 \) и \ (\ overline {\ mathrm {H}} _ {\ perp} \) может быть любым на границе. Поскольку \ (\ overline {\ mathrm {E}} _ {/ /} \) и \ (\ overline {\ mathrm {D}} _ {\ perp} \) непрерывны (предположим, что ρ s = 0, если \ (\ overline J \) = 0), статические \ (\ overline E \) и \ (\ overline D \) не ограничены на границе, а динамические \ (\ overline {\ mathrm {E}} = \ overline {\ mathrm {D}} = 0 \) там, потому что внутри нет динамического электрического поля и нет динамического поверхностного заряда. Поскольку только \ (\ overline {\ mathrm {H}} _ {\ perp} \ neq 0 \) на границе, это нефизический носитель, и такой носитель не существует. Например, нет возможности согласовать граничные условия для приходящей плоской волны. Этого тупика можно избежать, если σ ≠ 0, поскольку тогда динамический \ (\ overline {\ mathrm {H}} _ {/ /} \) и \ (\ overline {\ mathrm {E}} _ {\ perp} \) может быть ненулевым.

Электромагнетизм: граничные условия магнитного поля

Подобно тому, как электрическое поле подчиняется определенным правилам, магнитное поле (H-поле) также подчиняется определенным правилам вдоль граница двух разных материалов.И снова правила зависят от того, обсуждаем ли мы касательная составляющая (Ht) или нормальная / перпендикулярная составляющая (Hn) к поверхности.

Теперь, как существует параметр “диэлектрическая проницаемость”, связанный с электрическими полями, существует аналогичный параметр для магнитных полей – магнитная проницаемость, написано символом. Это свойство материала, которое в основном описывает, как материал концентрирует магнитные поля. Единицы измерения измеряются в Генри на метр [Гн / м], что является мерой индуктивности. по длине.

Вернемся к нашей материальной границе, которую мы проиллюстрировали на рисунке 1:

Рис. 1. Иллюстрация границы материала, а также касательного и перпендикулярного магнитных полей.

Правила очень похожи на случай граничных условий электрического поля. Во-первых, поскольку магнитного поля не существует. заряда, у нас будет нормальный компонент плотность магнитного потока (B), непрерывная через границу:

[Уравнение 1]

Уравнение [1] утверждает, что составляющая плотности магнитного потока, которая перпендикулярна изменению материала, является непрерывной через граница.То есть вектор Bn1 (нормальный компонент B непосредственно внутри области 1) равен вектору Bn2 (нормальный компонент из B непосредственно внутри области 2). А поскольку B и H связаны проницаемостью, мы знаем, как нормальный компонент магнитного поля Hn изменяется поперек границы. Обратите внимание, что не имеет значения, какие проводимости () или диэлектрические проницаемости () находятся в двух областях – они не влияют на граничные условия магнитного поля.

Для тангенциального магнитного поля (Ht) на неоднородности материала это немного сложнее. Напомним, что магнитные поля создаются за счет протекания электрического тока. Следовательно, если по поверхности не течет электрический ток (I = 0), то магнитное поле будет непрерывным при изменении границы материала:

(без поверхностного тока) [Уравнение 2]

Предположим, что по поверхности течет ток. Тогда это должно вызвать собственное магнитное поле на поверхности, таким образом делая магнитные поля (Ht1 и Ht2) прерывистыми? Вы правы.В этом случае запишем поверхностный ток как K , который имеет единицы ампер / метр. Это показано на Рисунке 2:

Рис. 2. Граница между двумя материалами с поверхностным током, текущим по границе.

В этом случае у нас будет разрыв магнитного поля на точную величину поверхностного тока:

(с поверхностным током K) [Уравнение 3]

Уравнение [3] утверждает, что тангенциальная составляющая магнитного поля будет прерываться величиной поверхностного тока. на границе (K).То есть Ht1 – это составляющая магнитного поля, касательная к границе материала внутри область 1. Это будет отличаться от Ht2 (тангенциальное магнитное поле внутри области 2), только если электрический ток течет на поверхности.

В следующем разделе мы рассмотрим, как поля E и H взаимодействуют друг с другом.

Вверху: Граничные условия магнитного поля

Темы, связанные с теорией антенн

Учебное пособие по антенне (домашняя страница)

О граничных условиях магнитного поля в OpenFOAM и решателе магнитного поля для многообластных приложений

Программное обеспечение для анализа очень больших наборов экспериментальных данных часто полагается на конвейер нерегулярных вычислительных задач с решениями по удалению нерелевантных данных из дальнейшей обработки. Была разработана и развернута ориентированная на пользователя структура, HEP-Frame, которая помогает экспертам в предметной области разрабатывать приложения для анализа научных данных, а также отслеживать и контролировать их эффективное выполнение. Ключевой особенностью HEP-Frame является переносимость кода между различными гетерогенными платформами благодаря новому адаптивному многоуровневому планировщику, полностью интегрированному в инструмент, – подход, недоступный в конкурирующих фреймворках.

Многослойный планировщик прозрачно распределяет параллельные данные / задачи по доступным разнородным ресурсам, динамически балансирует потоки между вводом данных и вычислительными задачами, адаптивно переупорядочивает во время выполнения параллельное выполнение этапов конвейера для каждого потока данных, соблюдая зависимости данных , и эффективно управляет выполнением библиотечных функций в ускорителях.Каждый уровень реализует определенную стратегию планирования: один уравновешивает выполнение вычислительных этапов конвейера, распределяя выполнение этапов одного и того же или разных элементов набора данных между доступными вычислительными потоками; другой управляет порядком выполнения этапов конвейера, так что большая часть данных отфильтровывается раньше, а на более поздних этапах выполняются тяжелые в вычислительном отношении задачи; еще один адаптивно балансирует автоматически созданные потоки между вводом данных и вычислительными задачами, принимая во внимание требования каждого приложения.

Анализ смоделированных данных с датчиков в эксперименте ATLAS в ЦЕРНе оценил эффективность планировщика на двухъядерных многоядерных серверах Xeon с ускорителями и без них, а также на серверах с многоядерным процессором Intel KNL. Экспериментальные результаты показывают значительное повышение производительности этого анализа данных за счет функций HEP-Frame и хорошего масштабирования кода на нескольких серверах. Результаты также показывают улучшенную производительность планировщика HEP-Frame по сравнению с ключевым конкурентом, планировщиком списков HEFT.

Наилучшее общее улучшение производительности по сравнению с реальным точно настроенным последовательным анализом данных было впечатляющим как для однородных, так и для разнородных многоядерных серверов и для многоядерных серверов: в 81 раз быстрее на однородном 24 + 24-ядерном сервере Skylake, в 86 раз быстрее на гетерогенном 12+ 12-ядерный сервер Ivy Bridge с графическим процессором Kepler и в 252 раза быстрее на 64-ядерном сервере KNL.

Название программы: HEP-Frame

Ссылка библиотеки CPC на файлы программы: https://doi.org/10.17632/m2jwxshtfz.1

Условия лицензирования: GPLv3

Язык программирования: C ++ .

Дополнительные материалы: Текущая общедоступная версия HEP-Frame доступна по адресу https://bitbucket.org/ampereira/hep-frame/wiki/Home.

Характер проблемы: Приложения для научного анализа данных часто разрабатываются для обработки больших объемов данных, полученных в результате экспериментальных измерений или моделирования методом Монте-Карло, с целью выявления закономерностей в данных или для проверки и / или подтверждения теорий.Эти большие входные данные обычно обрабатываются конвейером вычислительных задач, которые могут отфильтровывать нерелевантные данные (задача и ее фильтр рассматриваются как предложение в этом сообщении), предотвращая их обработку последующими задачами в конвейере.

Эта фильтрация данных в сочетании с тем фактом, что предложения могут иметь разную вычислительную интенсивность, способствует неравномерности выполнения конвейера. Это может привести к ограничению производительности ввода-вывода, памяти или вычислений при анализе научных данных в зависимости от реализованных алгоритмов и входных данных.Чтобы позволить ученым обрабатывать больше данных с более точными результатами, их код и структуры данных должны быть оптимизированы для вычислительных ресурсов, к которым они могут получить доступ. Поскольку основная цель большинства ученых – получить результаты, относящиеся к их научным областям, часто в строгие сроки, оптимизация производительности их приложений требует очень много времени и обычно не принимается во внимание. Ученым требуется программная среда для помощи в проектировании и разработке эффективных приложений и для управления их параллельным выполнением на различных вычислительных платформах.

Метод решения: В этой работе предлагается HEP-Frame, структура, помогающая в разработке и эффективном выполнении конвейерных приложений научного анализа на однородных и гетерогенных серверах. HEP-Frame – это ориентированная на пользователя структура, помогающая ученым разрабатывать приложения для анализа данных из большого количества элементов набора данных с гибким конвейером предложений. Он не только подчеркивает интерфейс для экспертов в предметной области, чтобы код был более надежным и разрабатывался быстрее, но также нацелен на высокопроизводительную переносимость между различными типами платформ параллельных вычислений и желаемые функции устойчивости.Эта структура направлена ​​на обеспечение эффективного выполнения параллельного кода, не требуя от пользователя опыта параллельных вычислений.

Платформы для помощи в разработке и развертывании научного кода обычно делятся на две категории: (i) ориентированные на ресурсы, ближе к вычислительным платформам, где эффективность выполнения и переносимость производительности являются основными целями, но вынуждают разработчиков адаптировать свой код к строгие ограничения рамок; (ii) ориентированный на пользователя, который подчеркивает необходимость взаимодействия с экспертами в предметной области для повышения скорости и надежности разработки кода, стремясь обеспечить желаемые функции устойчивости, но игнорируя производительность выполнения. Существует также набор структур, которые объединяют эти две категории (Liu et al., 2015 [1]; Deelman et al., 2015 [2]) для научных вычислений. Хотя у них нет крутых кривых обучения, необходимо сделать уступки в простоте их использования, чтобы учесть их более широкий спектр целевых приложений. HEP-Frame пытается заполнить этот пробел, помещая себя между полностью ориентированной на пользователя или ресурсной средой, чтобы пользователи могли быстро разрабатывать код и не беспокоиться о вычислительной эффективности кода, который он обрабатывает (i), обеспечивая эффективное выполнение приложений в соответствии с их вычислительными требованиями и доступными ресурсами на сервере через многоуровневый планировщик, в то время как (ii) решается путем автоматической генерации скелетов кода и прозрачного управления структурой данных и автоматизации повторяющихся задач.

Дополнительные комментарии: Доказательство концепции на ранней стадии было опубликовано в трудах конференции (Pereira et al. , 2015). Однако версия HEP-Frame, представленная в этом сообщении, разделяет только очень небольшую часть кода, относящуюся к генерации скелета (менее 5% от общего кода), в то время как остальная часть пользовательского интерфейса, многоуровневого планировщика и были полностью переработаны и повторно реализованы стратегии распараллеливания.

Дозовая характеристика микроалмаза и микрокремния PTW в поперечном магнитном поле в условиях малого поля

DOI: 10.1088 / 1361-6560 / ac0f2e.

Принадлежности Расширять

Принадлежности

  • 1 Университетская клиника медицинской радиационной физики, Медицинский кампус больницы Пиус, Университет Карла фон Осецкого, Ольденбург, Германия.
  • 2 Physikalisch-Technische Bundesanstalt, PTB, Брауншвейг, Германия.

Элемент в буфере обмена

Изабель Блюм и др. Phys Med Biol. .

Показать детали Показать варианты

Показать варианты

Формат АннотацияPubMedPMID

DOI: 10.1088 / 1361-6560 / ac0f2e.

Принадлежности

  • 1 Университетская клиника медицинской радиационной физики, Медицинский кампус больницы Пиус, Университет Карла фон Осецкого, Ольденбург, Германия.
  • 2 Physikalisch-Technische Bundesanstalt, PTB, Брауншвейг, Германия.

Элемент в буфере обмена

Полнотекстовые ссылки Опции CiteDisplay

Показать варианты

Формат АннотацияPubMedPMID

Абстрактный

Целью данной работы является исследование поведения двух детекторов диодного типа (PTW microDiamond 60019 и PTW microSilicon 60023) в поперечном магнитном поле в условиях малого поля.Был предложен формализм на основе TRS 483, служащий основой для применения этих детекторов высокого разрешения в этих условиях. Измерения проводились в Национальном метрологическом институте Германии (PTB, Брауншвейг) с использованием исследовательского клинического линейного ускорителя. Использовались квадратичные поля, соответствующие эквивалентным квадратным размерам поля S между 0,63 и 4,27 см на глубине измерения. Напряженность магнитного поля варьировалась до 1,4 Тл. Экспериментальные результаты были дополнены расчетами методом Монте-Карло до 1.5 T. Детальное моделирование было выполнено для количественной оценки эффектов малых возмущений поля и влияния компонентов детектора на дозовую реакцию. Чувствительность обоих детекторов уменьшается на 10% при 1,5 Тл в самом большом исследованном поле. В S = 0,63 см это уменьшение при 1,5 Тл составляет лишь примерно половину того, что наблюдается при размерах поля S > 2 см для обоих детекторов. Результаты моделирования методом Монте-Карло показывают согласие лучше, чем 1% для всех исследованных условий.Из-за нормировки на эталонное поле, характерное для станка, результирующие поправочные коэффициенты выходного небольшого поля для обоих детекторов в магнитном поле kQclin, QmsrB меньше, чем в случае отсутствия магнитного поля, где для микрокремния требуется поправка до 6,2% при 1,5 Тл. в наименьшем исследуемом размере поля. Было показано, что эффект усреднения по объему обоих детекторов практически не зависит от магнитного поля. Влияние компонентов с повышенной плотностью в детекторах было определено как основной вклад в их поведение в магнитном поле.Тем не менее, эффект ослабевает с уменьшением размера поля, что частично может быть связано с недостатком вторичных электронов с низкой энергией, исходящих из удаленных мест в небольших полях.

Ключевые слова: Сила Лоренца; доза-реакция; магнитное поле; лучевая терапия под магнитным резонансом; малогабаритная дозиметрия; поправочные коэффициенты выходного сигнала малого поля.

Лицензия Creative Commons Attribution.

Похожие статьи

  • Дозовая характеристика детекторов диодного типа высокого разрешения и роль их структурных компонентов в сильном магнитном поле.

    Tekin T, Blum I, Delfs B, Schönfeld AB, Kapsch RP, Poppe B, Looe HK. Текин Т. и др. Med Phys. 2020 декабрь; 47 (12): 6509-6518.DOI: 10.1002 / mp.14535. Epub 2020 11 ноя. Med Phys. 2020. PMID: 33074591

  • Коэффициенты коррекции выходного сигнала малого поля детектора microSilicon и более глубокое понимание их происхождения путем количественной оценки факторов возмущения.

    Вебер К., Кранцер Р., Вайднер Дж., Крёнингер К., Поппе Б., Лоо Х. К., Поппинга Д. Вебер С. и др. Med Phys. 2020 июл; 47 (7): 3165-3173.DOI: 10.1002 / mp.14149. Epub 2020 13 апр. Med Phys. 2020. PMID: 32196683 Бесплатная статья PMC.

  • Определение поправочных коэффициентов KQclinfclin, Qmsr fmsr для детекторов, используемых с системой CyberKnife (®) 800 МЕ / мин, оснащенной фиксированными коллиматорами, и исследование реакции детектора на пучки малых фотонов с использованием метода Монте-Карло.

    Муанье С., Юэ С., Маковицкая Л.Moignier C, et al. Med Phys. 2014 Июль; 41 (7): 071702. DOI: 10.1118 / 1.4881098. Med Phys. 2014 г. PMID: 24989371

  • Новый метод определения выходных коэффициентов поля и выходных поправочных коэффициентов для малых статических полей для шести диодов и детектора на основе микроалмазов в мегавольтных пучках фотонов.

    Casar B, Gershkevitsh E, Mendez I, Jurković S, Huq MS.Casar B и др. Med Phys. 2019 Февраль; 46 (2): 944-963. DOI: 10.1002 / mp.13318. Epub 2018 24 декабря. Med Phys. 2019. PMID: 30521073 Бесплатная статья PMC.

  • Исследование методом Монте-Карло на детекторе микроалмазов PTW 60019.

    Хартманн Г.Х., Цинк К. Hartmann GH и др. Med Phys. 2019 ноя; 46 (11): 5159-5172. DOI: 10.1002 / mp.13721. Epub 2019 24 сентября. Med Phys. 2019.PMID: 31314919

[Икс]

цитировать

Копировать

Формат: AMA APA ГНД NLM

Применение граничных условий волновода в волноводном анализе

Основные выводы

  • Чтобы волна могла распространяться по волноводу, она должна удовлетворять уравнению Максвелла и граничным условиям волновода.

  • Граничные условия волновода:

  • В прямоугольных волноводах шесть компонент поля: три электрических поля и три магнитных поля.

Волноводы используются в радиочастотных и микроволновых системах

Волноводы – это структуры, которые переносят электромагнитные волны между своими конечными точками. Волноводы могут быть прямоугольными, круглыми или состоять из параллельных пластин, но, как правило, они имеют форму полой металлической трубы, используемой для передачи излучения одной частоты.В волноводах существует два режима распространения: поперечная электрическая (TE) мода и поперечная магнитная (TM) мода. Чтобы волна могла распространяться по волноводу, она должна удовлетворять уравнению Максвелла и граничным условиям волновода.

Граничные условия волновода

Когда электромагнитные волны распространяются в свободном пространстве, они ослабляются, и значительная часть передаваемой энергии теряется при распространении. Используя волноводы, можно избежать потерь энергии при распространении.Волны, распространяющиеся через волновод, ограничены физическими пределами волноводной структуры. Есть два граничных условия волновода, которые должны быть выполнены для распространения волн через волноводы:

  1. Тангенциальные компоненты электрического поля должны быть равны нулю.

  2. Нормальная производная тангенциальной составляющей магнитного поля должна быть равна нулю.

Как проводить анализ волноводов

Анализ волноводов включает расчет электрических и магнитных полей, связанных со структурой.Давайте использовать прямоугольный волновод в качестве примера того, как проводить волноводный анализ.

Анализ волновода в прямоугольном волноводе

Представьте себе, что волны распространяются через прямоугольный волновод, и направление распространения находится в z-направлении или продольном направлении. В прямоугольном волноводе шесть компонент поля – три электрических поля (Ex, Ey и Ez) и три магнитных поля (Hx, Hy и Hz) вдоль осей x, y и z соответственно. Из шести компонентов два являются независимыми, а четыре других – зависимыми.Четыре зависимых компонента могут быть получены с использованием уравнения Максвелла и граничных условий волновода для независимых компонентов.

Продольные составляющие Ez и Hz являются независимыми составляющими. Поперечные компоненты электрического и магнитного полей в терминах Ez и Hz могут быть заданы следующим образом, где h – постоянная поперечного распространения, 𝜇 – проницаемость волноводной среды, 𝜀 – диэлектрическая проницаемость волноводной среды, а β – фазовая постоянная волны, распространяющейся по волноводу в z-направлении.

Первым шагом анализа волновода является получение продольных составляющих – электрического поля Ez или магнитного поля Hz – в зависимости от режима распространения внутри волновода (поперечный магнитный или поперечный электрический). Независимо от вида распространения продольная составляющая должна соответствовать вышеупомянутым граничным условиям. После получения независимого компонента поперечные компоненты рассчитываются с использованием уравнений 1-4, приведенных выше.

В поперечном магнитном поле Hz = 0 и Ez ≠ 0, поэтому поперечные компоненты вычисляются из Ez.В поперечном электрическом поле Ez = 0 и Hz ≠ 0, поэтому зависимые компоненты вычисляются с использованием поля Hz.

Предположим на мгновение, что прямоугольный волновод конечной длины поддерживает поперечную магнитную моду. Чтобы получить Ez, волновое уравнение, представленное уравнением 5, должно быть решено методом разделения переменных, где Ez может быть задано через переменные в уравнении 6. Подставляя уравнение 6 в уравнение 5, мы получаем окончательное уравнение, показанное ниже.

В уравнении 7 константы C1, C2, C3, C4 и C5 являются произвольными константами, которые должны быть вычислены с использованием граничных условий.В этом решении предполагается, что поля синусоидальны с угловой скоростью.

В поперечной магнитной моде прямоугольного волновода Ez параллельно всем четырем стенкам волновода. Применяя граничное условие, касательная составляющая электрического поля равна нулю для прямоугольной волноводной структуры. Граничное условие для Ez получается в уравнении 8.

После подстановки других граничных условий, уравнений 9 и 10, решение для Ez получается в уравнении ниже, где C дает амплитуду Ez.

Чтобы получить поперечные компоненты электрического и магнитного полей, присутствующих в поперечном магнитном режиме распространения, где Hz = 0, подставьте уравнение 11 в уравнения 1-4. Зависимые поля получаются в уравнениях 12-15, где m и n представляют порядок режима в TMmn.

Применяя граничные условия волновода, инженеры могут правильно провести анализ волновода. Программное обеспечение Cadence предоставляет инструменты, которые технически поддерживают проектирование волноводов в ВЧ- и СВЧ-схемах.

Подпишитесь на нашу рассылку для получения последних обновлений. Если вы хотите узнать больше о том, как Cadence предлагает решение для вас, поговорите с нами и нашей командой экспертов.

Граничные условия на электрическое поле

Граничные условия на электрическое поле
Далее: Конденсаторы Up: Электростатика Предыдущая: Проводники
Рисунок 44:
Каковы наиболее общие граничные условия, которым удовлетворяет электрическое поле? на интерфейсе между двумя носителями: e.г. , интерфейс между вакуумом а дирижер? Рассмотрим интерфейс между двумя носителями и. Применим прежде всего закон Гаусса,
(632)

к гауссовской таблеточной коробке с площадью поперечного сечения, два конца которой локально параллельно интерфейсу (см. рис. 44). Концы коробки можно сделать произвольно. Близко к друг другу. В этом пределе поток электрического поля из сторон коробки явно ничтожно мало.Единственный вклад в поток вносится с двух концов. По факту,
(633)

где – перпендикуляр (к границе раздела) электрическое поле в среда на интерфейсе, и т. д. Заряд, заключенный в таблетке, составляет просто, где – плотность заряда листа на границе раздела. Обратите внимание, что любое распределение заряда по объему дает пренебрежимо малый вклад в правую часть приведенного выше уравнения в пределе, когда два концы таблетницы расположены очень близко друг к другу.Таким образом, закон Гаусса дает
(634)

на интерфейсе: т. е. , наличие листа заряда на интерфейсе вызывает нарушение непрерывности перпендикулярная составляющая электрического поля. А как насчет параллельного электрического поле? Применим закон Фарадея к прямоугольной петля, чьи длинные стороны, длина, проходят параллельно поверхности раздела,
(635)

(см. рис.44). Длина коротких сторон предполагается произвольно малой. Доминирующий Вклад в петлевой интеграл дают длинные стороны:
(636)

где – параллельное (к границе раздела) электрическое поле в среда на границе раздела, и т. д. Поток магнитного поля через цикл приблизительно, где – составляющая магнитное поле, перпендикулярное петле, и является площадью петли. Но, поскольку короткие стороны петли стягиваются до нуля. Так, если магнитное поле не становится бесконечным (мы предполагаем, что это не так), поток тоже стремится к нулю. Таким образом,
(637)

то есть , в параллельном не может быть разрыва составляющая электрического поля на границе раздела.

Далее: Конденсаторы Up: Электростатика Предыдущая: Проводники
Ричард Фицпатрик 2006-02-02

Кардиозащита от стрессовых условий с помощью слабых магнитных полей в полосе резонанса Шумана

Связь между различными процессами

Вышеупомянутые результаты включают три отдельных процесса, участвующих в регулярной функции кардиомиоцитов; механическое сокращение, переходные процессы кальция и скорость высвобождения СК.Вопрос о том, ответственны ли за эти эффекты несколько различных механизмов или общий путь влияния, остается открытым. Резкое прекращение самопроизвольных механических сокращений сопровождалось постепенным уменьшением амплитуды кальциевых переходных процессов и увеличением времени нарастания. Эти два наблюдения означают уменьшение количества и скорости поступления кальция в цитозоль. В сочетании с отличным сходством между временной зависимостью скорости механического сокращения и расчетной силы сокращения, это предполагает, что снижение внутриклеточного кальция, наиболее вероятно, является причиной приостановки сокращения, когда амплитуда переходных процессов кальция снижается ниже определенного порога.Еще одним оправданием связи между этими двумя эффектами является увеличение скорости сокращения в течение первых 20 минут полевого применения. Повышенная скорость сокращения может быть проявлением сниженной нагрузки SR. Повышенная скорость из-за более короткого времени релаксации уменьшает отток кальция и, следовательно, уравновешивает уменьшение резервуара кальция 12,13,14 и позволяет клетке преодолеть уменьшение резервуара SR кальция.

Как механическое сокращение, так и внутриклеточный баланс кальция сильно зависят от количества CK в цитоплазме, являясь ключевым игроком в механизме поддержания энергии 15 .В нормальных условиях скорость высвобождения СК чрезвычайно низка ~ 5% от содержимого клетки за 1,5 часа. Следовательно, наблюдаемые вариации высвобождения ЦК вряд ли существенно повлияют на энергетический баланс и препятствуют механическим сокращениям. Еще одна потенциальная связь – экзоцитоз под влиянием кальция. Вариации внутриклеточной концентрации кальция могут влиять на скорость экзоцитоза и количество квантов 16,17,18 . Следовательно, если магнитное поле ScR влияет на гомеостаз кальция, оно может косвенно влиять на экзоцитоз и количество CK, высвобождаемых в буфер.Повышенное снижение скорости высвобождения CK наблюдалось в условиях гипоксического и окислительного стресса. Это предполагает другую возможную связь из-за связи между сигнальными путями кальция и ROS 19,20,21 . Окислительный стресс увеличивает внутриклеточную концентрацию кальция, а повышенная концентрация кальция активирует ферменты, генерирующие АФК. Было показано, что повышенные уровни ROS вызывают длительные утечки SR и истощение Ca 2+ 22 .

Влияние на гомеостаз кальция

Тот факт, что 7.Поле MF 8 Гц, 90 нТл не влияло на диастолическую концентрацию Ca 2+ и оказывало лишь незначительное влияние на время уменьшения, указывает на то, что значительное уменьшение амплитуды кальция не может быть отнесено исключительно к прямому влиянию на натрий-кальций Обменник (NCX) и механизмы Sarco / Endoplasmic Reticulum Ca 2+ ATPase (SERCA). Сильное уменьшение амплитуды переходного процесса кальция и продолжительное время нарастания предполагает влияние ScR MF на один из двух основных механизмов, ответственных за проникновение кальция в цитозоль; приток кальция (через зависимые от напряжения кальциевые каналы L-типа) и высвобождение кальция из SR, запускаемое током притока Ca 2+ . Неисправность одного из этих двух механизмов должна приводить к более медленному поступлению кальция и, следовательно, к более длительному времени увеличения и более низкой амплитуде переходного процесса. Подобное снижение переходной амплитуды кальция, вызванное ScR MF, наблюдалось в культурах скелетных мышц крыс (будет опубликовано). Это предполагает, что высвобождение кальция из SR является целью, поскольку «высвобождение кальция, индуцированное кальцием» не имеет отношения к скелетным мышцам.

Влияние на высвобождение СК

Прекращение механических сокращений и снижение концентрации кальция во время спонтанного сокращения кардиомиоцитов после применения поля ScR может указывать на ухудшение правильной активности клеток.Поэтому мы исследовали влияние поля ScR на высвобождение CK в буфер. Скорость высвобождения СК является низкой и была неизмеримой через 45 минут (меньше стандартного отклонения), когда произошло уменьшение амплитуды переходного процесса по кальцию. Среднее количество высвобождения СК составляет ~ 10% от содержимого клеток за 90 минут. Такое небольшое изменение кажется маловероятным, чтобы существенно указать на существенное влияние на энергетический баланс или жизнеспособность клеток и препятствовать механическим сокращениям. Кроме того, чтобы убедиться, что более низкое высвобождение ЦК из-за воздействия поля не является результатом снижения жизнеспособности клеток, мы изучили влияние на жизнеспособность клеток с использованием процедуры окрашивания пропидиум йодидом (PI) (данные не представлены).Значения PI соответствовали высвобождению CK (т.е. более низкие значения PI для образцов с пониженным высвобождением CK) и, следовательно, предполагали более жизнеспособные клетки из-за применения в полевых условиях.

Мы показали, что уменьшение высвобождения CK, когда ScR MF применялось до окислительного стресса, было аналогично снижению в нормальных условиях, и оба согласуются с аппроксимацией линейной линии с единым наклоном: \ (C {K} _ {ScR + {H} _ {2} {O} _ {2}} – C {K} _ {{H} _ {2} {O} _ {2}} = – \, 0.3C {K} _ {CTR} \). Это намекает на то, что восстановление не зависело от количества повреждений, нанесенных окислительным стрессом, и что эффект MF, скорее всего, сохранялся на протяжении всего воздействия окислительного стресса.

В эксперименте с гипоксией (рис. 3b) и при одновременном применении окислительного стресса с ScR MF (рис. 3d) снижение высвобождения CK было более выраженным, чем при применении ScR MF до окислительного стресса (рис. 3в). Мы показали, что влияние поля на выброс CK на рис. 3c, d, \ ({\ Delta} _ {CK} \) можно описать как комбинацию двух факторов: \ ({\ Delta} _ {CK} = {\ Delta} _ {Normal} + {\ Delta} _ {Protection} \), где \ ({\ Delta} _ {Normal} \), – вклад нормального состояния, описанный выше: \ ({\ Delta} _ {Normal } = – 0.3C {K} _ {CTR} \), в зависимости только от нормальных условий выпуска CK, и вклад «линии защиты»: \ ({\ Delta} _ {Protection} = – 0,475 (C {K} _ {{H } _ {2} {O} _ {2}} – C {K} _ {CTR}) \), в зависимости только от количества повреждений, вызванных гипоксией и окислительным стрессом. Это разделение на два независимых фактора подразумевает два различных независимых вклада, включающих два отдельных процесса. Первое, возможно, связано с взаимодействием ScR MF с процессами нормального состояния, такими как экзоцитоз, а второе, вероятно, связано с одним из механизмов защиты клеток.

Зависимое от повреждений \ ({\ Delta} _ {Protection} \) появилось в эксперименте с гипоксией, хотя поле применялось до гипоксического повреждения. Это в отличие от результатов окислительного стресса, в которых термин, зависящий от повреждения, \ ({\ Delta} _ {Protection} \), появлялся только тогда, когда ScR MF применялся одновременно с окислительным стрессом. Мы объяснили это несоответствие постепенным или резким увеличением уровней АФК в экспериментах с гипоксическим и окислительным стрессом.

Зависимость от параметров магнитного поля

Из-за сложности и наличия множества факторов и механизмов раскрытие физического механизма, лежащего в основе эффекта ScR MF, является сложной задачей, выходящей за рамки данной работы. Однако зависимость эффекта от применяемых параметров МП может указывать на механизм магниторецепции.

И механические сокращения, и скорость высвобождения СК не зависели от величины MF. Это свойство исключает некоторые из предлагаемых физических объяснений, таких как стохастический резонанс, объяснение вихревых токов, объяснение ионного циклотронного параметрического резонанса, в котором величина эффектов зависит от соотношения между осциллирующими и статическими амплитудами МП, а также рекомбинация радикальных пар. теория.Другой вариант – наличие определенного порога, выше которого эффект вероятен. Порог может иметь физическое или биологическое происхождение.

Чрезвычайно слабые амплитуды применяемого МП (18 пТл-90 нТл) устанавливают еще одно ограничение и устраняют некоторые из предложенных объяснений. Влияние на рекомбинацию радикальных пар, например, может оказывать значительное влияние только при более высоких величинах поля 23 (1–10 мТл, см. Grissom, 1995). Стохастический резонанс может усилить сигнал только в 100 раз и, следовательно, менее вероятно, будет иметь отношение к эффекту ScR 24 .{-1} \) 25,26 , только на порядок выше. Такую небольшую разницу в величинах можно нивелировать, например, с помощью простых геометрических соображений. Следовательно, биологическое взаимодействие с индуцированным электрическим полем является одним из возможных объяснений эффекта магнитного поля ScR.

Частотный характер эффекта ScR отвергает объяснение рекомбинации радикальных пар, в котором отсутствует механизм частотной селективности. Вихретоковое объяснение представляет собой линейную зависимость от частоты полей и, таким образом, не имеет отношения к эффекту ScR.Одной из популярных теорий, объясняющих влияние слабых МП КНЧ на биологические ткани, является ионно-циклотронный эффект. Другие 27,28 исследовали влияние поля 16 Гц 40 нТл на спонтанные переходные процессы кальция в кардиомиоцитах. Они продемонстрировали снижение амплитуды переходных процессов кальция на 75% после 30 минут воздействия. Частота, с которой поле влияло на переходные процессы кальция, изменялась при изменении величины постоянного поля и соответствовала частоте ионного циклотронного резонанса иона калия 29 .Геомагнитное поле Земли в Тель-Авиве составляет около 40 мкТл. Если ионная циклотронная частота для поля постоянного тока 40 мкТл составляет 7,8 Гц, смещение поля постоянного тока на 50 мкТл или 30 мкТл сместит частоту ионного циклотрона на 9,75 Гц и 5,85 Гц соответственно. Если влияние поля ScR обусловлено ионным циклотронным резонансом, частота, с которой поле влияет на кардиомиоциты, должна соответственно меняться, и поле 7,8 Гц не будет влиять на скорость сокращения. Как описано в разделе результатов, дело обстоит не так, и версия 7.Магнитное поле с частотой 8 Гц влияет на скорость спонтанного сокращения даже при приложении дополнительного магнитного постоянного тока, и поэтому мы можем исключить ионный циклотронный эффект.

Тот факт, что ионная циклотронная частота является единственной характеристической резонансной частотой, подходящей для частотного диапазона ScR, но не имеющей отношения к эффекту ScR, делает биологическую настройку, такую ​​как настройка волосковых клеток улитки черепахи, более вероятным объяснением. Резонансная частота конкретной волосковой клетки определяется конкретным количеством и кинетикой кальций-активированных (ВК) калиевых каналов 30,31 .Этот механизм поддерживает гипотезу об электрической индукции как возможного предшественника. Согласно Bellono et al . 32 , частотно-чувствительная электродетекция рыб Elasmobranch происходит из-за низкого порога активации напряжения потенциалзависимого кальциевого канала CaV1.3 и пониженной наклонной проводимости кальциево-активированного калиевого канала с большой проводимостью (BK). Эти уникальные характеристики вызывают колебания мембранного потенциала (~ 7 Гц), которые могут служить устройством настройки, аналогичным механизму электрического резонанса волосковых клеток.В кардиомиоцитах BK каналы отсутствуют в сарколемме, но каналы присутствуют в митохондриальных мембранах 33 и, как было показано, участвуют в кардиопротекции против ишемии посредством ROS-зависимого механизма 34 . Это возможное объяснение, включающее влияние индуцированного электрического поля на BK-каналы митохондрий крысы, относится ко всем наблюдаемым эффектам ScR: гипоксии, окислительному стрессу и переходным процессам кальция. Имеются некоторые доказательства участия митохондриальных BK-каналов в кардиопротекции против ишемии посредством точной настройки окислительного состояния 35,36,37 .Кроме того, было показано, что продукция ROS в митохондриях регулирует Ca 2+ в кардиомиоцитах крыс двунаправленным, зависящим от времени образом 38 . Они показали, что индуцированная выработка митохондриальных АФК вызывает временное повышение искровой активности Ca 2+ с последующим постепенным подавлением искры, частично вызванным снижением кальциевой нагрузки SR в течение 15 минут. Следовательно, влияние ScR MF с электрической индукцией в качестве механизма связи на BK-канал митохондрий, приводящее к продукции ROS, может привести к увеличению скорости сокращения и постепенному снижению амплитуды переходного процесса кальция.

Оставить комментарий