Site Loader

Содержание

Постоянные и переменные поля — Справочник химика 21

    В последние годы свободные радикалы стали обнаруживать и изучать методом электронного парамагнитного резонанса. Метод заключается в резонансном поглощении энергии переменного высокочастотного магнитного поля парамагнитным веществом, помещенным в постоянное магнитное поле. На экране осциллографа возникают спектры электронно-парамагнитного резонанса (ЭПР) исследуемого парамагнитного вещества. Все свободные радикалы обладают парамагнитными свойствами, но каждый радикал имеет свой характерный спектр. [c.40]
    Механизм взаимодействия капель в постоянном поле такой же, как и в переменном поле. Однако диполь-дипольное контактирование в электростатическом поле усиливается кулоновским взаимодействием частиц, сопровождаемым интенсивным встречным движением капель. В результате улучшается обработка и очистка светлых нефтепродуктов. [c.375]

    Сравнивая скорость слияния капель в неоднородном переменном и неоднородном постоянном электрических полях, видим, что они примерно одного порядка. Следует отметить, что эти скорости значительно выше скорости слияния в однородном электрическом поле. 

[c.59]

    Подставляя сюда Р (/) из (1.29), получим для постоянного поля у==Р, а для переменного поля с таким же амплитудным напряжением [c.21]

    Тот же самый результат может быть получен, если частота переменного ноля V остается постоянной, а изменяется напряженность постоянного магнитного поля. При изменении напряженности постоянного магнитного поля изменяется частота прецессии ядра и, когда она достигает частоты переменного магнитного поля, происходит резонанс. На практике обычно реализуется именно этот способ. Таким образом, задача анализа обычно состоит в том, чтобы определить напряженность постоянного магнитного поля, при которой наступает ядерный резонанс в переменном поле определенной частоты V. В этом случае частота V равна частоте ЯМР. В табл. 4 приведены значения ЯМР для ядер различных атомов.  

[c.38]

    Приборы для изучения ЭПР называются радиоспектрометрами. Спектр ЭПР показывает зависимость интенсивности поглощения энергии исследуемым образцом от величины напряженности постоянного магнитного поля при заданной частоте переменного поля. [c.61]

    На постоянное магнитное поле Земли накладывается переменное магнитное поле, происхождение которого, видимо, связано не только с внутриземными, но и с космическими явлениями. Наблюдения показывают, что переменное магнитное поле Земли меняется [c.141]

    Еслп приложено напряжение переменного тока низкой частоты, один полупериод является таким продолжительным, что система способна перейти в следующее равновесное состояние в каждый момент изменения направления переменного поля. Отсюда следует, что характеристики состояния в поле переменного тока низкой частоты такие же, как и за время г о в поле постоянного тока. 

[c.388]

    Если парамагнитные частицы находятся в постоянном магнитном поле и на них воздействует переменное электромагнитное поле, то при соблюдении определенных соотношений между напряженностью постоянного поля Н и частотой переменного поля V можно наблюдать поглощение энергии переменного поля. Условием поглощения является равенство величины кванта переменного поля /IV величине АЕ. С учетом (1Х.12) [c.230]

    Введем в уравнения (1Х.18) и (IX.19) члены, учитывающие спин-решеточную релаксацию. Рассмотрим образец, находящийся в постоянном магнитном поле в отсутствие переменного поля. Равновесное распределение спинов по уровням осуществляется благодаря взаимодействию спинов с решеткой. Непрерывно происходят как переходы спинов с нижнего уровня на верхний (при этом тепловая энергия решетки расходуется), так и обратные переходы, сопровождающиеся передачей энергии решетке. Обозначим константы скорости (вероятности за 1 с) переходов ( + )->(—) и (—) ( + ) через а1 и аг соответственно. Тогда, в отсутствие переменного поля 

[c.233]

    В связи с этим концентрация капель жидкой фазы в центре трубы будет значительно выше. Данная ситуация приведет к возникновению коллективных эффектов, которые проявляются в виде образования движущегося ядра, состоящего из диспергированных капель жидкой фазы. Постоянное парообразование с поверхности капель препятствует их объединению. Между движущимися ядрами преобладает паровая фаза с незначительным содержанием паровой фазы в виде капель. Последние могут переходить как в ядро, так и осаждаться на поверхности трубы в виде кокса. Скорость этого отложения будет пропорциональна концентрации частиц жидкости в паровом пространстве. Таким образом, будет наблюдаться медленное образование коксоотложений, что в конечном итоге приведет к ситуации, когда свободное сечение потока будет соизмеримо с размерами отмеченных выше ядер (коллектива частиц). Для определения размера образующихся ядер можно выдвинуть следующее предположение на каждую каплю жидкой фазы, движущуюся в переменном поле скоростей, 

[c.262]

    Для электрической ориентации частиц имеется гораздо больше возможностей. Исследования показывают (Толстой, 1955 г.), что анизометрические коллоидные частицы в водных растворах обычно обладают электрическими дипольными моментами, достаточными для того, чтобы за время достижения стационарной ориентации частиц в электрическом поле не произошло заметного разогревания раствора за счет прохождения через него тока (при надлежащей очистке раствора от электролита). Коллоидные частицы и макромолекулы могут иметь как собственный дипольный момент, определяемый их строением, так и дипольный момент, индуцированный электрическим полем. Если использовать постоянное электрическое поле (или постоянные импульсы напряжения), то ориентация частиц будет обусловлена взаимодействием с полем обоих видов диполей, и вклад от каждого из них в общий эффект выделить нелегко. Автор с сотрудниками (1959 г.) добились ориентации коллоидных частиц (галлуазита, бензопурпурина и многих других веществ в воде) с помощью высокочастотного электрического поля при частоте порядка десятков и сотен килогерц. При этом было пока зано, что влияние собственного дипольного момента, который жестко связан с частицей и заставляет ее колебаться в переменном поле, полностью подавлено из-за инерционности частицы. В этом случае она ориентируется только за счет взаимодействия с полем индуцированного момента, который, меняя направление синхронно с полем, создает постоянный момент силы. Величина этого момента в водных растворах достаточна для ориентации частиц. По-видимому, он возникает за счет поверхностного слоя воды. Если эта гипотеза подтвердится, то данный метод электрической ориентации частиц окажется универсальным для водных растворов. Применение высокочастотных электрических полей помогает значительно ослабить или устранить такие мешающие явления, как электролиз, поляризация и электрофорез, что делает метод особенно перспективным. Если же исследования этим методом дополнить параллельными исследованиями при ориентации в постоянном электрическом поле, то можно оценить величину постоянного диполь-ного момента частиц и найти угол между постоянным и индуцированным дипольными моментами. Например, при изучении частиц, галлуазита выяснилось, что индуцированный момент ориентиро  

[c.33]


    Этого же можно добиться изменением напряженности постоянного магнитного поля Яо пр и неизменной частоте переменного поля Я]. 
[c.269]

    При выключении переменного поля Н, для которого характерна частота V, устанавливается некоторая равновесная намагниченность, перпендикулярная постоянному полю Но. Постоянную времени Т2, характеризующую спад поперечной намагниченности после выключения поля Я1, называют поперечным временем релаксации. По порядку значения она равна или [c.271]

    Из соотношения (7.31) с учетом формулы (7.34) следует, что к постоянном электрическом поле п экспоненциально зависит от температуры. В то же время, как видно из (7.36), в переменном поле т пропорционально частоте V и от температуры практически пе зависит. [c.206]

    Снятие температурно-временных зависимостей удельной электропроводности (величины, обратной удельному сопротивлению) позволяет изучать особенности проявления кинетических и фазовых переходов в полимерах при действии слабых постоянных электрических полей. Еще более перспективно для этих целей измерение температурно-частотных зависимостей диэлектрических потерь и проницаемости в слабых переменных электрических полях. В частности, по проявлению максимумов диэлектрических потерь при определенных температуре или частоте можно судить о возникновении подвижности тех или иных атомных групп или более крупных участков макромолекул. Это дает возможность установить взаимосвязь строения и свойств полимеров, что необходимо для создания требуемых для техники материалов. 

[c.209]

    Парамагнитные вещества обнаруживают интенсивное резонансное поглощение высокочастотной энергии при строго определенных значениях напряженности постоянного магнитного поля (при перпендикулярной ориентации переменного и постоянного магнитных полей). Это явление получило название электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Электронным парамагнетизмом обладают атомы с нечетным числом электронов, свободные радикалы органических веществ, центры окраски в виде электронов или дырок, локализованных в различных местах кристаллической решетки, металлы или полупроводники, имеющие свободные электроны, ионы переходных металлов и некоторые другие ионы. 

[c.160]

    Электронный парамагнитный резонанс. Е, К. Завойский в 1944 г., проводя в Казанском университете исследования парамагнитной релаксации на высоких частотах при параллельной и перпендикулярной ориентациях постоянного и переменного магнитных полей, обнаружил интенсивное резонансное поглощение высокочастотной энергии при строго определенных отношениях напряженности постоянного магнитного поля и частоты. Это открытие, широко используемое в настоящее время, известно под названием электронного парамагнитного резонанса. 

[c.63]

    Если на образец, находящийся в постоянном магнитном поле, подействовать переменным электромагнитным полем частоты V, направленным перпендикулярно к постоянному магнитному полю, то при условии [c.223]

    Магнитное взаимодействие состоит во взаимном притяжении и отталкивании ферромагнитного материала и проводника (катушки) с переменным электрическим током. Из рис. 1.28 можно видеть, что под действием постоянного магнитного поля В ОК намагнитится. [c.67]

    Если на этот образец подействовать переменным магнитным полем с частотой V и направленным перпендикулярно к постоянному магнитному полю, то при выполнении условия [c.204]

    Четкое противоречие полезно, чтобы инструмент прижимался к изделию, и вредно, чтобы инструмент прижимался к изделию. И столь же четкий способ преодоления противоречия постоянный прижим абразива заменяют переменным, круг начинает вибрировать, трение уменьшается. Для создания вибрации применяют дополнительное магнитное переменное поле, действующее на ферросуспензию. Чтобы действие магнитного поля было максимальным, частицы суспензии выполняют из материала с магнитострикционными свойствами, т. е. 

[c.109]

    Для исследования структуры и диэлектрических свойств сорбированной воды применяются различные физические и физико-химические методы, в частности диэлектрический метод. Сущность его заключается в измерении макроскопических характеристик поляризации диэлектрика во внешнем электрическом поле. В постоянном электрическом поле поляризация диэлектрика характеризуется статической диэлектрической проницаемостью Ез, в переменном — комплексной диэле1 трической проницаемостью е = е —ге». Установление связи между экспериментально определяемыми характеристиками е , е, г» и молекулярными параметрами диэлектрика является основной задачей теории диэлектрической поляризации [639, 640]. 

[c.242]

    Для наложения электрического поля в точках фазового перехода нами была со )дана приставка к высокочастотному генератору, изображенному на рис. 10, которая позволяет получать постоянное электрическое и переменное электромагнитное поле напряжением до 20 кВ. Частота переменного поля офаничива-ется возможностями низкочастотного выхода и составляет 0,7-120 кГц. [c.27]

    Сущность действия переменного электрического поля на эмульсию заключается во взаимном притяжении поляризуемых под влиянием поля капелек воды и их слияния в более крупные капли, быстро оседающие под действием силы тяжести. Основное же действие постоянного электрического поля заключается в движении капель воды вдоль силовых линий поля, что обусловлено избыточными электрическими зарядами капель (электрофорез), а также неоднородностью электрического поля, образуемого вертикальными цилиндрическими электродами. Это приводит к стремительному передвижению капель к электродам, на поверхности которых они скапливаются и под действием силы тяжести стекают вниз. В этом способе, применяемом, как правило, для малообводненных эмульсий, в которых капельки воды расположены сравнительно далеко одна от другой, силы взаимного притяжения капель играют второстепенную роль. [c.36]

    В переменном электрическом поле проводящая капелька также поляризуется и вытягивается в эллипсоид вращения, как и в постоянном. Однако при этом внутри капельки тоже имеется определенное переменное поле, изменяющееся в соответствии с изменениями вцеишего поля. По мере изменения величины и направления внешнего поля ионы в капельке то выходят на ее поверхность, то уходят с нее вглубь, стремясь нейтрализовать поле внутри капельки. Выходу ионов на поверхность капельки сопутствует ее вытягивание, уходу их в глубь капельки — ее возвращение к сферической форме. [c.50]

    Как показьшает многолетний опьгг использования разных электрических полей, эффективность разрушения различных эмульсий зависит не только от характера этих полей и технологических условий их применения, но и от природы самих эмульсий. Так, целесообразность применения постоянного или переменного электрических полей для обезвоживания топлив сильно зависит от электропроводности последних. Для легких топлив, отличающихся малой электропроводностью, например для дистиллятов, очень эффективным оказьшается постоянное электрическое поле. Для тяжелых же топлив, характеризующихся высокой электропроводностью, т. ё. для нефтей, тяжелых дистиллятов и остаточных топлив, более целесообразно применять переменное электрическое поле [53]. Поэтому во всех электродегидраторах, предназначенных для обезвоживания нефти, создается переменное электрическое поле. Напряженность поля зависит от конструкции аппарата и может варьировать в пределах 1-3 кВ/см.  [c.60]

    О процессах взаимодействия электрического поля с модельными диэлектрическими системами в постоянном и переменном полях (частота 50 Гц) можно судить по деформапдш и скорости движения непроводящих капель в электрическом поле. Дополнительно можно применять метод автоколебания макрозаряда. Указанные характеристики определяют в электрофоретической ячейке с плоскопараллельными электродами (никелевые или стальные), представляющей собой копию ячейки С. Као и Ф. Остерли, которые экспериментально установили, что на середине ячейки в области ( 0,4—0,5) см местное электрическое поле однородно. [c.22]

    Поскольку силы взаимодействия поляризованных частиц загрязнений пропорциональны Е , предполагалось, что при вытянутой форме ассоциатов и близких расстояниях между ними характер сближения будет диполь-ным. Однако, как видно из приведенных выще данных, зффективность разделения в переменном поле оказалась намного ниже, чем в постоянном. Это связано с тем, что в постоянном электрическом поле возможно злектрофоретическое концентрирование частиц и капель, после чего поляризационная коагуляция может протекать как в первичном, так и во вторичном потенциальном минимуме. [c.95]

    С помощью уравнений ( .15), (У.18) и (У.62) можно сделать количественную оценку частотной зависимости удельной электропроводимости в эмульсиях В/М. На начальной стадии действия напряжения постоянного тока, что равносильно действию переменного поля высокой частоты, величина заряда проводимости, возникающего, в основном, внутри капель воды (рис. У.55, стадия А, система В/М), увеличивается ео временем довольно быстро. Это приводит к большому значенню наблюдаемой электропроводности, как видно из уравнений (У.18) и ( .15). При I сс (рис. У.55, стадия С, система В/М), т. е. при низких частотах, распределение заряда о внутри сферических частиц достигает состояния равновесия и уже дальнейшего возрастания у. со временем не наблюдается. В результате вся система па стадии С имеет низкие значения х. нри условии, что окружающая непрерывная фаза имеет низкую удельную электропроводность. [c.388]

    Если к такой системе ориентированных спинов приложить пере-1енное поле, магнитная компонента которого перпендикулярна постоянному магнитному полю, то при частоте переменного поля V, удовлетворяющей условию резонанса Ь> = происходят ин- [c.24]

    Явление импульсного ЯМР [1] состоит в изменении суммарной ядерной намагннченностн образца, помещенного одновременно в однородное постоянное магнитное поле и импульсное радиочастотное магнитное поле соответствующей частоты. Пре-цесспрующий вектор макроскопичсскоп ядерной намагниченности индуцирует в приемной катушке переменное напряжение, которое пропорционально концентрации исследуемых ядер н является функцией продольного времени (спин-решеточной) релаксации Ti и поперечного времени (спин-спиновой) релаксации T a. Из параметров сигнала ЯМР можно установить а) вид ядер — из напряженности магнитного поля и резонансной частоты б) число ядер, дающих вклад в резонанс,— из амплитуды сигнала в) связь между ядрами и их окружением и молекулярную подвижность — пз времен релаксации. [c.100]

    При наложении переменного поля Я], для которого характерна частота v, возникает некоторая намагниченность, перпендикулярная постоянному полю Яо. Скорость установления этой намагниченности характеризуется поперечным временем релаксации хг, которое по порядку величины равно (уАЯ1/2) или (уАЯ ) . Следовательно, Хг (называемое также спин-спиновым временем релаксации), как и ширина линии, определяется магнитным дипольным взаимодействием ядерных спинов. При сильном сужении линии ЯМР полимеров (при высоких температурах) Тг стремится к Ть [c.216]

    Рассмотрим сначала действие одиночного импульса высокочастотного поля Длительностью т на систему ядерных магнитных моментов, поляризованных сильным постоянным магнитным полем Яо. Импульс перпендикулярного Яо переменного поля резонансной частоты отклоняет результирующий вектор ядерной намагниченности М от равновесного направления, совпадающего с направлением Яо, на угол, определяемый при тдлительностью импульса и амплитудой высокочастотного поля. После прекращения действия импульса вектор М свободно прецессирует вокруг направления Яо с ларморовой частотой vo= у (2я) Яо, постепенно возвращаясь к равновесному положению (рис. 8.2). [c.220]

    Для возбуждения переходов на образец, помещенный в постоянное однородное магнитное поле, необходимо воздействовать переменным магнитным полем Bv = B°v os(2лv/- -6), сравнимым по энергии с зеемановских уровней системы. Резонансное поглощение электромагнитного излучения происходит при условии, что вектор осциллирующего магнитного поля перпендикулярен направлению постоянного магнитного поля 8,-1 В и для рассматриваемой двухуровневой системы удовлетворяется равенство [c.11]

    Магнитные стали используют для изготовления постоянных магнитов и сердечников магнитных устройств, работающих в переменных полях. Для постоянных магнитов применяют высокоуглеродистые стали, легированные хромом или вольфрамом. Они хорошо намагничиваются и длительное время сохраняют остаточную индукцию. Сердечники магнитных устройств изготовляют из низко-углеродистых (менее 0,005% С) сплавов железа с кремнием. Эти стали легко пе-ремагничиваются и характеризуются малым значением электрических потерь. [c.629]

    Электродинамическое взаимодействие состоит в позбуждении в токопроводящем материале вихревых токов, которые затем взаимодействуют с постоянным магнитным полем и вызывают колебания электронного газа , а это, в свою очередь, приводит к возбуждению колебаний атомов, т. е. кристаллической решетки материала. На рис. 1.28 вихревые токи, индуцируемые в ОК катушкой 2 с переменным током, направлены перпендикулярно плоскости чертежа, а силы их взаимодействия с магнитным полем — параллельно поверхности ОК- В результате в ОК возбудится поперечная волна. Обратный эффект состоит в возбуждении вихревых токов в металле, колеблющемся в постоянном магнитном поле под действием упругих волн. Эти вихревые токи индуцируют переменный ток в катушке 2, которая в данном случае служит приемником. [c.68]

    Спектр ЭПР получают, варьируя напряженность постоянного магнитного поля Я и не изменяя частоту переменного поля V, т. е. энергию Ну. Если построить график зависимости энергии резонансного поглощения от напряженности постоянного магнитного поля д 1вН (рис. 8.10, а), то получится кривая с максимумом, проекция которого на ось абсцисс дает величину резонансной энергии постоянного поля д 1вНг, а высота — величину резонансной [c.204]


Устройство и классификация МР-томографов


Устройство МР-томографа

Любой МР-томографа состоит из:

  • магнита, создающего постоянное магнитное поле, в которое помещают пациента;
  • градиентных катушек, создающих слабое переменное магнитное поле в центральной части основного магнита. Это поле называют градиентным. Оно позволяет выбрать область исследования части тела пациента;
  • передающих и принимающих радиочастотных катушек; передающие, используются для создания возбуждения в теле пациента, приемные — для регистрации ответа возбужденных участков;
  • компьютера, управляющего работой катушек, регистрирацией, обработкой измеренных сигналов, реконструкцией МР-изображений.


Радиочастотные катушки для различных отделов тела необходимы для получения качественного изображения.

Магнитное поле характеризуется индукцией магнитного поля, единицей измерения является Тл (тесла) по имени сербского учёного Николы Теслы.

Различают несколько типов томографов (зависит от величины постоянного магнитного поля):

  • 0,01 Тл — 0,1 Тл → со сверхслабым полем;
  • 0,1 — 0,5 Тл → со слабым полем;
  • 0,5 — 1.0 Тл → со средним полем;
  • 1.0 — 2,0 Тл → с сильным полем;
  • >2,0 Тл → со сверхсильным полем.

Существует три вида магнитов для мр-томографа: резистивные, постоянные и сверхпроводящие.

Томографы с полем до 0,3 Тл чаще всего имеют резистивные или постоянные магниты, выше 3,0 Тл — сверхпроводящие.

Оптимальная напряженность магнитного поля является постоянным предметом дискуссий среди специалистов.

Более 90% магнитно-резонансных томографов составляют модели со сверхпроводящими магнитами (0,5 — 1,5 Тл). Томографы со сверхсильным полем (выше 3,0 Тл) очень дороги в эксплуатации. Постоянные магниты напротив, дёшевы и просты в эксплуатации.


Открытый и закрытый тип МР-томографа.

Резистивные магниты

Магнитное поле создается с помощью электрического тока, который проходит через катушку. МР-томографы с резистивными магнитами требуют большого количества электроэнергии, которая сильно нагревает магнит, что необходимо для получения сильных магнитных полей. Такая система вырабатывает поле с напряженностью до 0,3 Тесла.

Резистивные магниты были первыми применены в клинической практике. Они просты в изготовлении, стоят дешевле сверхпроводящих или постоянных. При этом они требуют мощного и стабильного источника питания, системы водоохлаждения с качественной очисткой воды. Уровень магнитного поля в них ограничен величиной 0.3Т, при котором отношение сигнал/шум еще не достаточно высоко. По качеству и времени сканирования они уступают томографам с более сильными полями. В настоящее время этот тип магнита практически не используется, и весь современный парк томографов состоит из приборов с постоянными и сверхпроводящими магнитами.

Постоянные магниты

Магнитное поле этого типа не требует высоких эксплуатационных расходов на электроэнергию и криогенные материалы. Главным недостатком постоянных магнитов являет то, что они генерируют слабое поле с напряженностью до 0,3 Тесла. Кроме того, такие томографы обладают большой массой, так же у них отсутствует функция аварийного снижения магнитного поля. Часто томографы с постоянными магнитами имеют «открытый» тип конструкции, постоянными магнитами обычно комплектуются небольшие приборы для специализированных исследований отдельных частей тела, например, суставов конечностей.

Сверхпроводящие магниты

В таких магнитах используется свойство сверхпроводимости, которое присуще некоторым материалам при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю. Сверхпроводящий материал не требует энергетических затрат, потому что практически не имеет электрического сопротивления. Однако для создания температуры, близкой к абсолютному нулю, необходимы криогенные материалы (жидкий гелий). Сверхпроводящие магниты создают магнитные поля высокой напряженности 1,0-3,0 Тесла и более. Они являются наиболее дорогими, но, благодаря высокому уровню поля и наилучшему соотношению сигнал/шум, обеспечивают наилучшее качество изображения. Не случайно наибольший прогресс в совершенствовании магнитных томографов наблюдается в области сверхпроводящих магнитов. Сегодня они покрывают более 80% рынка МР-томографов. Относительно низкий расход жидкого гелия у современных моделей, высокая скорость исследования и качество изображения делают их максимально привлекательными для потребителя.

В настоящее время изготавливаются магнитно-резонансные томографы двух типов: закрытого и открытого типа. Открытый тип томографа удобен для проведения различных манипуляций, поскольку обеспечивает более свободный доступ к пациенту. Преимуществом таких томографов является отсутствие замкнутого пространства, что актуально для пациентов страдающих клаустрофобией. Нужно учитывать, что при всех удобствах, отрытую конструкцию чаще имеют аппараты с низкой и средней напряжённостью магнитного поля, а большая часть томографов с мощными полями и наилучшим качеством изображения имеют туннельный тип.

Влияние различных видов волнового воздействия на разрушение стойких гельсодержащих водонефтяных эмульсий | Романова

1. Хисамутдинов Н. И., Хасанов И. М., Ибрагимова Г. З. и др. Влияние техногенных факторов на физико-гидродинамические характеристики и технологические процессы добычи нефти / Нефтепромысловое дело. 1997. № 12. С. 2.

2. Ибрагимов Г. З., Фазлугдинов К. С., Хисамутдинов Н. И. Применение химических реагентов для интенсификации добычи нефти: справочник. — М.: Недра, 1991. — 384 с.

3. Вольцов А. А., Крючков В. А., Вольцов Ан. А. Новые технологии подготовки нефти / Материалы IV международной научной конференции. Т. 1. — Томск: STT, 2000. С. 535 – 538.

4. Позднышев Г. Н. Стабилизация и разрушение нефтяных эмульсий. — М.: Недра, 1982. — 221 с.

5. Гречухина А. А., Елпидинский А. А. Установки подготовки нефти. — Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2011. — 84 с.

6. Цыганов Д. Г. Композиционные составы для процессов подготовки устойчивых промысловых эмульсий: дис. … канд. тех. наук. — Казань, 2017. 182 с.

7. Сахабутдинов Р. З., Губайдулин Ф. Р., Исмагилов И. Х., Космачева Т. Ф. Особенности формирования и разрушения водонефтяных эмульсий на поздней стадии разработки нефтяных месторождений. — М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2005. — 324 с.

8. Reza Zolfaghari, Ahmadun Fakhru’l-Razi, Luqman C. Abdullah, et al. Demulsification techniques of water-in-oil and oil-in-water emulsions in petroleum industry / Sep. Purif. Technol. 2016. Vol. 170. P. 377 – 407.

9. Issaka S. A., Nour A. H., Yunus R. M. Review on the Fundamental Aspects of Petroleum Oil Emulsions and Techniques of Demulsification / J. Pet. Environ. Biotechnol. 2015. Vol. 6. P. 2.

10. Ковалева Л. А., Миннигалимов Р. З., Зиннатуллин Р. Р. и др. Исследование интегрированного воздействия сверхвысокочастотного электромагнитного излучения в поле центробежных сил на водонефтяные эмульсии / Нефтяное хозяйство. 2017. № 2. С. 100 – 102.

11. Antes F. G., Diehl L. O., Pereira J. S. F., et al. Effect of ultrasonic frequency on separation of water from heavy crude oil emulsion using ultrasonic baths / Ultrason. Sonochem. 2017. Vol. 35. P. 541 – 546.

12. Тюгаева Е. С., Доломатов М. Ю. Причины образования устойчивых нефтяных эмульсий и способы их разрушения / Universum: Технические науки: электрон. научн. журн. 2017. № 4(37).

13. Mohammad Nikkhah, Tahere Tohidian, Mohammad Reza Rahimpour, Abdolhossein Jahanmiri. Efficient demulsification of water-in-oil emulsion by a novel nano-titania modified chemical demulsifier / Chem. Eng. Res. Design. 2015. Vol. 94. P. 164 – 172.

14. Jozefczak A., Wlazło R. Ultrasonic Studies of Emulsion Stability in the Presence of Magnetic Nanoparticles / Hindawi Publishing Corporation Advances in Condensed Matter Physics. Vol. 2015. Article ID 398219.

15. Pajouhandeh A., Kavousi A., Schaffie M., Ranjbar M. Towards a Mechanistic Understanding of Rheological Behaviour of Water-in-Oil Emulsion: Roles of Nanoparticles, Water Volume Fraction and Aging Time / S. Afr. J. Chem. 2016. Vol. 69. P. 113 – 123.

16. Пат. 2152817 РФ. Способ обезвоживания водонефтяной эмульсии / Велес П. Р. и др. — № 99124158/12; заявл. 15.11.1999, опубл. 20.07.2000.

17. Пат. 2449004 РФ. Способ обезвоживания нефти / Ширшова А. В. и др. — № 2010113421/04; заявл. 06.04.2010, опубл. 27.14.2012.

18. Пат. 2400523 РФ. Способ обезвоживания водонефтяных эмульсий воздействием электромагнитного поля / Ковалева Л. А. и др. — № 2008113926/15; заявл. 09.04.2008; опубл. 27.09.2010.

19. Пат. 2067492 РФ. Способ обезвоживания нефти / Семихина Л. П. и др.; заявл. 23.12.1993; опубл. 10.10.1996.

20. Пат. 2169033 РФ. Устройство для магнитной обработки движущихся нефтеводогазовых смесей / Лесин В. И.; 17.09.1999, опубл. 27.03.2001.

21. Пат. 2164436 РФ. Устройство для обработки водонефтяной эмульсии / Иванов О. Ю. и др.; заявл. 17.09.1999; опубл. 27.03.2001.

22. Пат. 2154089 РФ. Способ разрушения промежуточного эмульсионного слоя / Голубев В. Ф. и др.; заявл. 23.02.1999, опубл. 10.08.2000.

23. Wang Z., Xu Y., Suman B. Research status and development trend of ultrasonic oil production technique in China / Ultrason. Sonochem. 2015. Vol. 26. P. 1 – 8.

24. Сахабутдинов Р. З., Судыкин А. Н., Губайдулин Ф. Р. Исследование процесса обезвоживания сверхвязкой нефти при ультразвуковом воздействии / Нефтяное хозяйство. 2013. № 10. С. 116 – 119.

25. Пат. 2535793 РФ. Способ разрушения водонефтяной эмульсии с применением ультразвукового воздействия / Сахабутдинов Р. З. и др. — № 2013144334/04; заявл. 02.10.2013; опубл. 20.12.2014.

26. Ye G., Lu X., Han P., Shen X. Desalting and dewatering of crude oil in ultrasonic standing wave field / J Petrol. Sci. Eng. 2010. Vol. 70. P. 140 – 144.

Способ формирования магнитного поля для терапевтического воздействия

 

Использование: в физиотерапевтической медицинской технике, в частности в устройствах для магнитотерапии. Сущность изобретения: постоянное и переменное магнитные поля ориентируют под углом друг к другу, их магнитные индукции устанавливают в соотношении два к трем, а расстояние на поверхности воздействия между осями намагниченности источника постоянного магнитного поля и источника переменного магнитного поля выбирают в диапазоне 15 — 20 мм. При этом силовые линии постоянного магнитного поля начинают вибрировать с заданной частотой. Способ позволяет повысить эффект терапевтического воздействия за счет улучшения снабжения тканей кислородом, стимулирования обменных и регенеративных процессов. 1 ил.

Предлагаемый способ предназначен для использования в физиотерапевтической медицинской технике и, в частности, в устройствах для магнитотерапии.

В современной магнитотерапии известны различные способы воздействия на биологические объекты постоянными и переменными магнитными полями. Подобные способы описаны в монографии Г.Р.Соловьевой «Магнитотерапевтическая аппаратура», Москва, изд. Медицина, 1991 год. В устройстве, защищенном авторским свидетельством СССР N 697131, кл. А 61 N 1/42, реализован способ формирования магнитного поля путем суперпозиции постоянного и переменного магнитных полей. Более высокий терапевтический эффект обеспечивает способ формирования магнитного поля, описанный в патенте РФ N 2014852, кл. А 61 N 2/00. Согласно этому патенту для получения воздействующего на биообъект скрещенного магнитного поля постоянное и переменное магнитные поля ориентируют под углом друг к другу. Предлагается способ формирования структурированного магнитного поля с биотропными параметрами, обеспечивающий повышение эффективности терапевтического воздействия на локальные участки тканей биообъекта за счет вибрации силовых линий постоянного магнитного поля с заданной частотой, определяемой переменным магнитным полем. Согласно предлагаемому способу, постоянное и переменное магнитные поля ориентируют под углом друг к другу, их магнитные индукции устанавливают в соотношении два к трем, а расстояние на поверхности воздействия между осями намагниченности источника постоянного магнитного поля и источника переменного магнитного поля выбирают в пределах 15-20 мм. На чертеже схематически показан пример реализации предложенного способа. В качестве источника постоянного магнитного поля используют постоянный магнит 1 с малоинтенсивным полем, в качестве источника переменного магнитного поля используют низкочастотный электромагнит 2 с малоинтенсивным полем. Постоянный магнит 1 создает магнитное поле с индукцией порядка 20 мТл, а электромагнит 2 переменное магнитное поле с индукцией порядка 30 мТл. Угол А между осями намагниченности 3 и 4 постоянного магнита и электромагнита, соответственно, составляет 10-30 градусов. Расстояние l между осями намагниченности на поверхности воздействия 5 составляет 15-20 мм. При прохождении через электромагнит 2 переменного или пульсирующего электрического тока с заданной частотой неподвижные силовые линии постоянного магнита 1 начинают вибрировать с такой же частотой, что позволяет при терапевтическом воздействии на ткани биообъекта улучшать их снабжение кислородом, стимулировать обменные и регенеративные процессы, снимать болевые синдромы.

Формула изобретения

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ДЛЯ ТЕРАПЕВТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ, состоящий в том, что постоянное и переменное магнитные поля ориентируют под углом друг к другу, отличающийся тем, что магнитные индукции постоянного и переменного магнитных полей устанавливают в соотношении 2 : 3, а расстояние между осями намагниченности источников этих полей на поверхности воздействия выбирают в пределах 15 — 20 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1

Приборы с использованием электромагнитного поля и электроэнергии.

Приборы импульсной магнитотерапии, представленные на международном рынке, имеют различные параметры, и поэтому спектр действия этих устройств различен.

Существует целый ряд терапевтических приборов, в которых используется электромагнитное поле и электрическая энергия. Диапазон генерируемого электромагнитного излучения очень широк и, следовательно, биологические эффекты очень разные. Мы назовем только несколько таких приборов и терапевтических методов, с которыми читатель часто сталкивается в повседневной жизни и в медицинской практике.

Постоянные магниты

Одними из самых старых и самых простых магнитов являются постоянные магниты. Для производства постоянных магнитов использовался целый ряд различных сплавов (в настоящее время доминируют смеси бария и железа или кобальта, самария и неодима). Постоянные магниты обычно прикладываются к телу.

Ферритовые магниты

Обычный ферритотвый магнит может иметь на расстоянии 1 см от своей поверхности магнитную индукцию от 30 до 70 мТл (миллитесла), то есть в тысячу раз больше, чем магнитное поле земли. И только на расстоянии примерно 30 см. от поверхности ферритотвого магнита его поле сравнимо с магнитным полем земли.

Магнитная пленка

Магнитная пленка — пленка, изготовленная из мягкого пластика, в которую включены ферромагнитные частицы, намагниченные в шахматном порядке. Индукция на поверхности магнитной пленки составлет до 40 мТл, но из-за малой толщины материала является сильным градиентом, и поэтому на расстоянии 5 см. индукция магнитного поля пленеки является лишь незначительной частью индукции на её поверхности.

Биолампы

Биолампы используют поляризованный свет, который в отличие от лазерного не является ни монохроматическим, ни последовательным. Конечные эффекты после исользования биолампы подобны лазеру, но разница в производительности и способности проникать в ткани. Глубина проникновения в ткани при использовании биолампы минимальна.

Низкочастотные токи

Токи низких частот от 0 до 1000 Гц, используемые для реабилитации, создаются путем прерывания гальванического тока, изменения сети переменного тока или путем электронного генерирования. Низкочастотный ток применяется путем прикладывания электродов к телу.

Диадинамические токи

Диадинамические токи являются весьма распространенной формой низкочастотной терапии. Принцип их действия заключается в применении импульсных токов полусинусоидальной формы частотой 50 и 100 Гц с задним фронтом, спадающим по экспоненте. Диадинамические токи применяются путем прикладывания электродов к телу.  Приводят к нагреванию тканей.

Безконтактная высокочастотная терапия

Безконтактная высокочастотная терапия использует высокочастотный переменный ток с частотой от 100 кГц до 300 ГГц. К ней относится коротковолновая диатермия, емкостные и индуктивные индуктотермии. При использовании методов безконтактной высокочастотной терапии в соответствующих тканях, помимо всевозможных эффектов, происходит преобразование электромагнитной энергии в тепловую, что способствует нагреванию тканей.

Дистанционная электротерапия

При дистанционной электротерапии используется электрический ток, который формируется на глубине ткани посредством электромагнитной индукции.  Благодаря своим механизмам действия дистанционная электротерапия создает переход между электротерапией и магнитотерапией. В отличие от магнитотерапии, где лечебным средством является магнитное поле, дистанционная электротерапия использует электрические компоненты электромагнитного поля.

Магнитотерапия

Магнитотерапия является одним из методов бесконтактной электротерапии. При магнитотерапии электрический компонент электромагнитного поля в тканях (электрическое напряжение и электрический ток) приблизительно в 100 раз меньше, чем при классической (контактной) электротерапии.

Магнитотерапия использует в терапевтических целях основные биологические эффекты магнитной составляющей электромагнитного поля. Магнитное поле возникает вокруг каждого проводника, в котором течет электрический ток, и его свойства зависят от характеристик электрического тока. Это называется электромагнитной индукцией.

Виды и частоты электромагнитного поля

Магнитное поле бывает: постоянное, переменное и импульсное. Импульсные магнитные поля характеризуются частотами. Они делятся на:

  • Низкочастотные — от 0 до 100 — 150 Гц
  • Высокочастотные — от 9 до 250 МГЦ, соединенные в группы с низкими частотами (40-640 Гц).

Согревающий эффект ни в коем случае не является целью применения низкочастотной магнитотерапии, что отличает её от высокочастотной терапии. И поэтому низкочастотная импульсная магнитотерапия является отличным лечебным методом, даже если в тканях организма находятся  металлические имплантаты или протезы. Существует огромное количество различных приборов магнитотерапии, многие из них предлагаются и на чешском рынке. Еще сравнительно недавно многие из них действительно имели высокий технический уровень и представляли целый ряд различных лечебных программ, но они были чересчур большими и сложными в обслуживании, а самолечение было для пациента недоступно.

Целью производителей приборов магнитотерапии было выпустить такой прибор, чтобы он соответствовал самым требовательным международным стандартам и был простым и удобным в обслуживании. Основным преимуществом приборов магнитотерапии является возможность их длительного или повторного использования по несколько раз в день, не вызывая при этом перегрева катушки и не прерывая аппликаций магнитного поля. Именно поэтому вы получаете в ваше распоряжение приборы новой серии магнитотерапии BIOMAG, чтобы Вы сами смогли уже при первых признаках заболевания, когда оно носит  еще функциональный характер, применить магнитное поле. Именно так появляется большой шанс  предотвратить дальнейшее развитие заболевания благодаря низкочастотному импульсному магнитному полю (магнитотерапии).

Магнитотерапия — приборы и аппликаторы

Для лечения электромагнитом необходим не только генератор, который в большинстве случаев является сложным устройством, испускающим электрические импульсы, но и аппликаторы, которые являются различными по форме катушками. Обычно используются плоские аппликаторы, то есть катушки из проволоки, которые создают однородное магнитное поле, а также аппликаторы в виде полого цилиндра, которые называются соленоидами. В соответствии с последними клиническими результатами именно соленоиды зарекомендовали себя как наиболее эффективные, особенно для применения в глубоких тканях. Именно эти аппликаторы используются в устройствах новой серии BIOMAG, более того, они специально припособлены к тому, чтобы магнитное воздействовало на те части тела, где это необходимо.

Мы уже упоминали о биотропных параметрах магнитного поля, знание которых имеет важное значение для оптимального терапевтического эффекта. Этих параметров несколько, но самыми важными считаются только три. Об индукции мы уже упоминали, она является одним из наиболее важных параметров. Другим важным параметром является частота импульсов, или количество импульсов за одну секунду.

Низкочастотная магнитотерапия

В нашей низкочастотной магнитотерапии чаще всего применяются частоты от 1 до 25-81 имп / сек.  Оптимальное сочетание частоты импульсов, имеющих терапевтический эффект, уже встроено в устройство, которое мы вам предлагаем. Импульсы могут создаваться в регулярных промежутках времени или в определенных кластерах — коротких скоплениях импульсов, идущих за собой, после чего появляется короткая пауза, а затем все снова повторяется.

Следующим, практически наиболее важным, параметром является форма импульса. От этого параметра зависит ответная реакция организма.  Теоретически можно создать большое количество вариаций различных форм импульсов. Наиболее эффективные и провереные комбинации импульсов были использованы при создании приборов магнитотерапии серии BIOMAG.

Приборы с использованием электромагнитного поля и электроэнергии — Ваши вопросы

Вас заинтересовала информация о приборах и способах использования электромагнитного поля? Хотите узнать, как магнитотерапия может Вам помочь? Обращайтесь к нам!  Наши специалисты с удовольствием ответят на все Ваши вопросы.

Портативный универсальный электромагнит PM-5

 Обеспечивает возбуждение как переменного магнитного поля от сети 220В 50Гц, так и постоянного магнитного поля при питании от штатного источника AL-18 Удобная ручка с кнопкой включения намагничивания. Данный электромагнит выпускается взамен снятого с производства ярма PY-140.
Портативный универсальный электромагнит РМ-5 предназначен для проведения неразрушающего контроля методом магнитопорошковой дефектоскопии (МПД) с использованием как переменного магнитного поля от сети 220 В 50 Гц, так и постоянного магнитного поля при питании от штатного источника AL-18.Прибор оснащен удобной ручкой с кнопкой включения намагничивания. Прибор выпускается взамен снятой с производства модели PY-140.
    Малые габариты и вес Переменное и постоянное магнитное поле Высокая мощность Функция размагничивания Регулируемые полюса размером 25х25мм Надежная конструкция Удобство работы в полевых условиях
  • малые габариты и вес;
  • переменное и постоянное магнитное поле;
  • высокая мощность;
  • функция размагничивания
  • тяговая сила до 10,5 кг;
  • регулируемые полюса размером 25 х 25 мм;
  • надежная конструкция;
  • удобство работы в полевых условиях.

Базовый комплект поставки:

  • электромагнит PM-5;
  • блок питания PS-2 от сети 220 В / 50 Гц
  • блок аккумуляторный AL-18
  • блок питания / зарядное устройство для AL-18
  • инструкция;
  • упаковка.
Характеристика PМ-2 PМ-3 PМ-5
Питание ~220 B ~220 B переменное магнитное поле: от сети 220 В
постоянное магнитное поле: от блока AL-18
Ток ~1,5 А ~1,5 А переменное поле: 1,5 А
постоянное поле: 3 A
Подъемная сила при расстоянии между полюсами 140 мм 10,5 кг 10,5 кг переменное поле: 10 кг
постоянное поле: 38 кг
Рабочее магнитное поле переменное при работе от сети 220 В переменное при работе от сети 220 В переменное, постоянное
Максимальная зона контроля 250 мм 250 мм 250 мм
Размагничивание переменным полем при удалении от детали переменным полем при удалении от детали автоматическое
Габаритные размеры 205 х 50 х 200 мм 205 х 50 х 130 мм электромагнит: 205 х 50 х 200 мм
аккумуляторный блок AL-18: 115 х 55 х 200 мм
Масса магнита 3,5 кг 3,1 кг электромагнит: 3,7 кг
аккумуляторный блок AL-18: 0,9 кг

 

Портативный электромагнит PM-5 в наличии на складе. Прибор можно купить с доставкой до двери или до терминалов транспортной компании в следующих городах: Москва, Санкт-Петербург, Екатеринбург, Саратов. Амурск, Ангарск, Архангельск, Астрахань, Барнаул, Белгород, Бийск, Брянск, Воронеж, Великий Новгород, Владивосток, Владикавказ, Владимир, Волгоград, Волгодонск, Вологда, Иваново, Ижевск, Йошкар-Ола, Казань, Калининград, Калуга, Кемерово, Киров, Кострома, Краснодар, Красноярск, Курск, Липецк, Магадан, Магнитогорск, Мурманск, Муром, Набережные Челны, Нальчик, Новокузнецк, Нарьян-Мар, Новороссийск, Новосибирск, Нефтекамск, Нефтеюганск, Новочеркасск, Нижнекамск, Норильск, Нижний Новгород, Обнинск, Омск, Орёл, Оренбург, Оха, Пенза, Пермь, Петрозаводск, Петропавловск-Камчатский, Псков, Ржев, Ростов, Рязань, Самара, Саранск, Смоленск, Сочи, Сыктывкар, Таганрог, Тамбов, Тверь, Тобольск, Тольятти, Томск, Тула, Тюмень, Ульяновск, Уфа, Ханты-Мансийск, Чебоксары, Челябинск, Череповец, Элиста, Ярославль и другие города. А так же Республики Казахстан, Белоруссия и другие страны СНГ.

Лидеры продаж МК

Шаблон Красовского УШК-1

Эталоны чувствительности канавочные

Магнитный прижим П-образный

Альбом радиографических снимков

ОПРОС:
Какое оборудование кроме НК вас интересует:

Скин-эффект и системы обогрева

Принцип действия скин-эффекта
Это действие следует рассматривать на примере относительно длинного цилиндрического проводника, на который оказывает воздействие переменное напряжение, имеющее определенную частоту с изменением по времени.

Если взять постоянное напряжение, частота которого равна нулю, то в этом случае распределение электрического тока будет по всему сечению проводника. Это связано с тем, что напряженность постоянного тока будет одинаковой в каждой точке сечения проводника. Силовые линии магнитного поля, создаваемого током, образуются в виде концентрических окружностей, центр которых совпадает с осью проводника. Таким образом, постоянный ток распределяется по сечению вне зависимости от действия магнитного поля.

В случае с переменным током в проводнике, происходит его изменение во времени с одновременным изменением магнитного поля. При изменении потока магнитного поля наблюдается появление электродвижущей силы. Именно эта ЭДС вытесняет электрический ток к поверхности проводника с помощью магнитного поля. При очень высоких частотах весь ток будет протекать только по тонкому слою наружной части проводника.

Свойства скин-эффекта
Скин-эффект связан не только с высокочастотными токами, которые изменяются во времени. Это связано с любым временным изменением токов. Возникновение скин-эффекта может наблюдаться при непосредственном подключении проводника к постоянному напряжению. Именно в этот момент появляется ЭДС индукции большого значения, компенсирующая действие внешнего электрического поля на оси. Окончание этого процесса отмечается во время равномерного распределения тока в проводнике по всему сечению.


При очень быстром изменении тока, водится специальное время, в течение которого ток и магнитное поле проникают в глубину проводника. Эта величина носит наименование скин-нового времени. При этом, следует учитывать и тот фактор, что с уменьшением удельного сопротивления проводника, увеличивается время проникновения в него тока и магнитного поля. В случае использования сверхпроводников, скин-время, теоретически, будет иметь бесконечно большое значение, магнитного поля не наблюдается, а протекание тока происходит исключительно по поверхности.

Преимущества

  • Большая длина обогреваемого участка трубопровода. Это связано с тем, что токонесущий проводник большого сечения разгружен от функции тепловыделения и выполняет фактически функцию встроенной сопроводительной цепи питания.
  • Запитка с одного конца. По своей природе конструкция СКИН-СИСТЕМЫ предназначена для подачи питания с одного конца обогреваемого участка.
  • Электробезопасность. Наружная поверхность тепловыделяющего элемента имеет нулевой потенциал относительно земли, она заземлена и полностью экранирует находящийся внутри токонесущий проводник.
  • Хороший тепловой контакт. Металлический тепловыделяющий элемент непосредственно приваривается к трубопроводу или прикрепляется к нему с помощью специальных элементов.
  • Простота монтажа. Тепловыделяющие элементы не имеют наружной электрической изоляции, которую можно повредить при монтаже.
  • Надежность. Прочные тепловыделяющие элементы в виде стальных труб обеспечивают механическую прочность и защиту токонесущих проводников от повреждений. Это важно для трубопроводов, проложенных под землей или под водой.
В зависимости от требуемой мощности обогрева и длины трубопровода скин-система может состоять из одного, двух или трех нагревательных элементов.

Комплексная система

СКИН-система поставляется и монтируется в полном комплекте, включающем: 
— элементы системы обогрева 
— систему контроля и управления 
— систему электропитания 
Система электропитания выполняется в виде комплектной трансформаторной подстанции (КТП), включающей в себя распределительные ячейки высокой и низкой стороны, специализированный симметрирующий трансформатор. КТП размещается в специализированном обогреваемом и освещаемом контейнере. Кроме того, имеется возможность оснастить КТП охранно-пожарной сигнализацией и системой охлаждения. 

Тепловыделение 
Рабочий диапазон температур: 
-50°С … +200°С 

Электропитание 
до 6 кВ ~ 50 Гц 

Конструкция  
Тепловыделяющий элемент: труба из низкоуглеродистой стали диаметром 20–60 мм с толщиной стенки 3–4 мм 
Токонесущий проводник: специальный проводник, устойчивый к воздействию высокого напряжения (до 5кВ), к тепловым нагрузкам (до 200°С) и механическим нагрузкам при монтаже 

Расчетное распределение температур
Пример обогрева теплоизолированного трубопровода двумя нагревательными элементами системы с суммарной мощностью 120 Вт/м. Диаметр трубы 108 мм, t окр. возд. = –35°C.


Эффективность СКИН-СИСТЕМЫ в сравнении с другими типами нагревателей

Схема электропитания участка трубопровода, обогреваемого СКИН-эффектом

геомагнитного поля | Определение, сила и факты

Представление поля

Электрические и магнитные поля создаются фундаментальным свойством материи — электрическим зарядом. Электрические поля создаются зарядами, находящимися в состоянии покоя относительно наблюдателя, тогда как магнитные поля создаются движущимися зарядами. Эти два поля представляют собой разные аспекты электромагнитного поля, которое является силой, заставляющей электрические заряды взаимодействовать. Электрическое поле E в любой точке вокруг распределения заряда определяется как сила на единицу заряда, когда в эту точку помещается положительный испытательный заряд.Для точечных зарядов электрическое поле направлено радиально от положительного заряда в сторону отрицательного заряда.

Магнитное поле создается движущимися зарядами, т. Е. Электрическим током. Магнитная индукция B может быть определена аналогично E как пропорциональная силе на единицу силы полюса, когда испытательный магнитный полюс приближается к источнику намагничивания. Однако чаще его определяют уравнением силы Лоренца. Это уравнение утверждает, что сила, воспринимаемая зарядом q , движущимся со скоростью v, определяется выражением F = q (vx B ).

В этом уравнении жирным шрифтом обозначены векторы (величины, которые имеют как величину, так и направление), а жирным шрифтом обозначены скалярные величины, такие как B , длина вектора B. Символ x указывает на перекрестное произведение (т. Е. Вектор справа углы как к v, так и к B, длиной v B sin θ). Тета — это угол между векторами v и B. (B обычно называют магнитным полем, несмотря на то, что это название зарезервировано для величины H, которая также используется при изучении магнитных полей.) Для простого линейного тока поле вокруг тока имеет цилиндрическую форму. Смысл поля зависит от направления тока, который определяется как направление движения положительных зарядов. Правило правой руки определяет направление B, утверждая, что оно указывает в направлении пальцев правой руки, когда большой палец указывает в направлении тока.

В Международной системе единиц (СИ) электрическое поле измеряется скоростью изменения потенциала, вольт на метр (В / м).Магнитные поля измеряются в единицах тесла (Тл). Тесла — это большая единица для геофизических наблюдений, и обычно используется меньшая единица, нанотесла (нТл; одна нанотесла равна 10 -9 тесла). Нанотесла эквивалентна одной гамме, единице, первоначально определенной как 10 −5 гаусс, которая является единицей магнитного поля в системе сантиметр-грамм-секунда. И гаусс, и гамма все еще часто используются в литературе по геомагнетизму, хотя они больше не являются стандартными единицами измерения.

И электрическое, и магнитное поля описываются векторами, которые могут быть представлены в различных системах координат, таких как декартова, полярная и сферическая. В декартовой системе вектор разбивается на три компонента, соответствующие проекциям вектора на три взаимно ортогональных оси, которые обычно обозначаются x , y , z . В полярных координатах вектор обычно описывается длиной вектора в плоскости x y , его азимутальным углом в этой плоскости относительно оси x и третьей декартовой компонентой z .В сферических координатах поле описывается длиной вектора полного поля, полярным углом этого вектора относительно оси z и азимутальным углом проекции вектора в плоскости x y . В исследованиях магнитного поля Земли широко используются все три системы.

Номенклатура, используемая при изучении геомагнетизма для различных компонентов векторного поля, представлена ​​на рисунке. B — векторное магнитное поле, а F — величина или длина B. X , Y и Z — это три декартовых компонента поля, обычно измеряемых относительно географической системы координат. X — север, Y — восток, и, завершая правостороннюю систему, Z — вертикально вниз к центру Земли. Величина поля, проецируемого в горизонтальной плоскости, называется H . Эта проекция составляет угол D (для склонения), измеренный положительным с севера на восток.Угол падения, I (для наклона), представляет собой угол, который общий вектор поля составляет по отношению к горизонтальной плоскости, и является положительным для векторов ниже плоскости. Это дополнение к обычному полярному углу сферических координат. (Географический и магнитный север совпадают по «агонической линии».)

Компоненты вектора магнитной индукции B показаны в трех системах координат: декартовой, полярной и сферической.

Британская энциклопедия, Inc.

Motional Emf — Университетская физика, том 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Определить величину наведенной ЭДС в проводе, движущемся с постоянной скоростью через магнитное поле.
  • Обсудите примеры, в которых используется ЭДС движения, например, рельсовая пушка и привязанный спутник.

Магнитный поток зависит от трех факторов: силы магнитного поля, площади, через которую проходят силовые линии, и ориентации поля с площадью поверхности.Если какая-либо из этих величин изменяется, происходит соответствующее изменение магнитного потока. До сих пор мы рассматривали только изменения потока из-за изменяющегося поля. Теперь мы рассмотрим другую возможность: изменение области, через которую проходят силовые линии, включая изменение ориентации области.

Два примера этого типа изменения потока представлены на (Рисунок). В части (а) поток через прямоугольную петлю увеличивается по мере того, как она движется в магнитное поле, а в части (b) поток через вращающуюся катушку изменяется в зависимости от угла.

(a) Магнитный поток изменяется, когда петля движется в магнитное поле; (б) магнитный поток изменяется при вращении петли в магнитном поле.

Интересно отметить, что то, что мы воспринимаем как причину определенного изменения потока, на самом деле зависит от выбранной нами системы отсчета. Например, если вы находитесь в состоянии покоя относительно движущихся катушек (Рисунок), вы увидите, что поток изменяется из-за изменения магнитного поля — в части (а) поле перемещается слева направо в вашей системе отсчета, и в части (б) поле вращается.Часто можно описать изменение магнитного потока через катушку, которая движется в одной конкретной системе отсчета, в терминах изменяющегося магнитного поля во второй системе отсчета, где катушка неподвижна. Однако вопросы системы отсчета, связанные с магнитным потоком, выходят за рамки этого учебника. Мы избежим таких сложностей, всегда работая в кадре в состоянии покоя относительно лаборатории и объясняя вариации потока как следствие либо изменяющегося поля, либо изменяющейся области.

Теперь давайте посмотрим на проводящий стержень, включенный в цепь, изменяющий магнитный поток.Площадь, ограниченная схемой «MNOP» (Рисунок), составляет лк x и перпендикулярна магнитному полю, поэтому мы можем упростить интеграцию (Рисунок) в умножение магнитного поля и площади. Следовательно, магнитный поток через открытую поверхность составляет

Так как B и l постоянны, а скорость стержня равна, мы можем переформулировать закон Фарадея (рисунок) для величины ЭДС, выраженной в движущемся проводящем стержне, как

Ток, наведенный в цепи, равен ЭДС, деленной на сопротивление, или

Кроме того, направление наведенной ЭДС удовлетворяет закону Ленца, что вы можете проверить, посмотрев на рисунок.

Этот расчет ЭДС, вызванной движением, не ограничивается перемещением стержня по проводящим рельсам. В качестве отправной точки можно показать, что справедливо для любого изменения магнитного потока, вызванного движением проводника. Мы видели в законе Фарадея, что ЭДС, индуцированная изменяющимся во времени магнитным полем, подчиняется той же зависимости, которая является законом Фарадея. Таким образом, закон Фарадея выполняется для всех изменений магнитного потока , независимо от того, вызваны ли они изменяющимся магнитным полем, движением или их комбинацией.

Проводящий стержень толкается вправо с постоянной скоростью. Результирующее изменение магнитного потока вызывает в цепи ток.

С точки зрения энергии производит мощность, а резистор ее рассеивает. Поскольку стержень движется с постоянной скоростью, приложенная сила должна уравновешивать магнитную силу на стержне, когда он пропускает индуцированный ток I . Таким образом, произведенная мощность составляет

единиц.

Рассеиваемая мощность

В соответствии с принципом сохранения энергии производимая и рассеиваемая мощности равны.

Этот принцип можно увидеть в работе рельсовой пушки. Рельсовая пушка — это электромагнитная пусковая установка для снарядов, в которой используется устройство, подобное (Рисунок), и схематически оно показано на (Рисунок). Проводящий стержень заменяется выстрелом или оружием. До сих пор мы слышали только о том, как движение вызывает ЭДС. В рельсовой пушке оптимальное отключение / уменьшение магнитного поля уменьшает поток между рельсами, вызывая протекание тока в стержне (якорь), удерживающем снаряд.Этот ток через якорь испытывает магнитную силу и продвигается вперед. Однако рельсовые пушки не используются широко в вооруженных силах из-за высокой стоимости производства и больших токов: для выработки энергии, достаточной для того, чтобы рельсовая пушка была эффективным оружием, требуется около миллиона ампер.

Ток через две рельсы движет токопроводящий снаряд вперед за счет создаваемой магнитной силы.

Мы можем вычислить ЭДС, вызванную движением, с помощью закона Фарадея , даже когда фактически замкнутый контур отсутствует .Мы просто представляем замкнутую область, граница которой включает движущийся проводник, вычисляем, а затем находим ЭДС по закону Фарадея. Например, мы можем позволить движущемуся стержню (Рисунок) быть одной стороной воображаемой прямоугольной области, представленной пунктирными линиями. Площадь прямоугольника составляет лк , поэтому магнитный поток через него равен. Дифференцируя это уравнение, получаем

, что соответствует разности потенциалов между концами стержня, которую мы определили ранее.

С показанным воображаемым прямоугольником мы можем использовать закон Фарадея для расчета наведенной ЭДС в движущемся стержне.

ЭДС движения в слабом магнитном поле Земли обычно не очень велики, иначе мы заметили бы напряжение на металлических стержнях, таких как отвертка, во время обычных движений. Например, простой расчет ЭДС движения стержня длиной 1,0 м, движущегося со скоростью 3,0 м / с перпендикулярно полю Земли, дает

Это небольшое значение согласуется с опытом.Однако есть впечатляющее исключение. В 1992 и 1996 годах с космическим шаттлом были предприняты попытки создать большие двигательные ЭДС. Привязанный спутник должен был быть выпущен на проводе длиной 20 км, как показано на (Рисунок), для создания ЭДС 5 кВ за счет движения с орбитальной скоростью через поле Земли. Эту ЭДС можно было бы использовать для преобразования некоторой кинетической и потенциальной энергии шаттла в электрическую, если бы можно было создать полную цепь. Чтобы замкнуть цепь, неподвижная ионосфера должна была обеспечить обратный путь, по которому мог течь ток.(Ионосфера — это разреженная и частично ионизированная атмосфера на орбитальных высотах. Она является проводящей из-за ионизации. Ионосфера выполняет ту же функцию, что и стационарные рельсы и соединительный резистор на (Рисунок), без которых не было бы полной цепи.) Затягивание тока в кабеле из-за магнитной силы выполняет работу, которая уменьшает кинетическую и потенциальную энергию шаттла и позволяет преобразовывать ее в электрическую энергию. Оба теста не увенчались успехом. В первом случае кабель завис, и его можно было протянуть только на пару сотен метров; во втором трос оборвался при почти полном растяжении.(Рисунок) указывает на выполнимость в принципе.

ЭДС движения как преобразование электроэнергии для космического корабля многоразового использования была мотивацией для эксперимента со спутником. Было предсказано, что ЭДС 5 кВ будет индуцироваться в 20-километровом тросе при движении с орбитальной скоростью в магнитном поле Земли. Цепь замыкается обратным трактом через неподвижную ионосферу.

Металлический стержень, вращающийся в магнитном поле На части (a) (Рисунок) показан металлический стержень OS , который вращается в горизонтальной плоскости вокруг точки O .Стержень скользит по проволоке, образуя дугу окружности PST радиусом r . Система находится в постоянном магнитном поле, направленном за пределы страницы. (a) Если вы вращаете стержень с постоянной угловой скоростью, каков ток I в замкнутом контуре OPSO ? Предположим, что резистор R обеспечивает все сопротивление в замкнутом контуре. (b) Рассчитайте работу за единицу времени, которую вы делаете при вращении стержня, и покажите, что она равна мощности, рассеиваемой в резисторе.

Стратегия Магнитный поток — это магнитное поле, умноженное на площадь четверти круга. умножить на угловую скорость. Крутящий момент рассчитывается исходя из силы, действующей на стержень, и ее интегрирования по длине стержня.

Решение

  1. Исходя из геометрии, площадь контура OPSO равна Следовательно, магнитный поток через контур равен


    Дифференцируя по времени и использованию, получаем


    Если разделить на сопротивление контура R , получится величина индуцированного тока


    По мере увеличения увеличивается и поток через петлю. Чтобы противодействовать этому увеличению, магнитное поле из-за индуцированного тока должно быть направлено на страницу в области, ограниченной петлей.Следовательно, как показано в части (b) (Рисунок), ток циркулирует по часовой стрелке.

  2. Вы вращаете стержень, прилагая к нему крутящий момент. Поскольку стержень вращается с постоянной угловой скоростью, этот крутящий момент равен и противоположен крутящему моменту, приложенному к току в стержне исходным магнитным полем. Магнитная сила на бесконечно малом сегменте длиной dx , показанном в части (c) (Рисунок), такова, что магнитный момент на этом сегменте равен
    .


    Чистый магнитный крутящий момент на стержне будет


    Крутящий момент, который вы прикладываете к стержню, равен и противоположен ему, а работа, которую вы выполняете, когда стержень вращается на угол, равна Следовательно, работа на единицу времени, которую вы выполняете на стержне, равна


    , где мы заменили I .Мощность, рассеиваемая в резисторе, может быть записана как


    Следовательно, мы видим, что


    Следовательно, мощность, рассеиваемая в резисторе, равна работе в единицу времени, совершаемой при вращении стержня.

Значение. Альтернативный способ взглянуть на индуцированную ЭДС из закона Фарадея — интегрировать в пространстве, а не во времени. Решение, однако, будет таким же. Двигательная ЭДС

Скорость может быть записана как угловая скорость, умноженная на радиус, а дифференциальная длина — как dr .Следовательно,

, это то же самое решение, что и раньше.

Проверьте свое понимание Стержень длиной 10 см движется со скоростью 10 м / с перпендикулярно через магнитное поле напряжением 1,5 Тл. Какая разница потенциалов между концами стержня?

Сводка

  • Связь между наведенной ЭДС в проводе, движущемся с постоянной скоростью v через магнитное поле B , задается формулой
  • Индуцированная ЭДС по закону Фарадея создается ЭДС движения, которая противодействует изменению потока.

Концептуальные вопросы

Стержневой магнит падает под действием силы тяжести вдоль оси длинной медной трубки. Если сопротивление воздуха незначительно, появится ли сила, препятствующая спуску магнита? Если да, достигнет ли магнит предельной скорости?

Вокруг географического Северного полюса (или южного магнитного полюса) магнитное поле Земли почти вертикальное. Если в этой области самолет летит на север, какая сторона крыла заряжена положительно, а какая отрицательно?

Положительные заряды на крыльях будут к западу или слева от пилота, а отрицательные заряды будут тянуться к востоку или справа от пилота.Таким образом, кончики левых крыльев будут положительными, а кончики правых — отрицательными.

Проволочная петля движется поступательно (без вращения) в однородном магнитном поле. В шлейфе наведена ЭДС?

Глоссарий

двигательная ЭДС
напряжение, создаваемое движением проводящего провода в магнитном поле

3D-печать редкоземельных магнитов на полимерной связке с переменной долей магнитного соединения для заранее заданного рассеянного поля

Предустановленная доля магнитного соединения

Смесительный экструдер 3D-принтера конечного пользователя имеет возможность смешивать два или более материала в процессе процесс печати.В этой статье смесительный экструдер используется для смешивания материала магнитного компаунда с чистым коммерческим PA12. Магнитное соединение состоит из 85 мас.% Частиц NdFeB внутри матрицы PA12. Используется промышленный магнитоизотропный порошок MQP-S-11-9 химического состава NdPrFeCoTiZrB от Magnequench Corporation. Порошок получают путем распыления с последующей термообработкой. Частицы имеют сферическую морфологию с диаметром примерно 45 ± 20 мкм (дополнительный рис.1). Из магнитного компаунда экструдируют подходящие нити диаметром 1,75 ± 0,1 мм и содержанием магнитного наполнителя 85 мас.% И 43 об.% Соответственно.

Смесительный экструдер может непрерывно переключаться между обоими материалами. Доля магнитного соединения является функцией номера слоя и оси y r y соответственно. Для определения магнитных свойств отпечатков с различной долей наполнителя магнитного компаунда были проведены измерения гистерезиса однородно распределенного порошка NdFeB внутри матрицы PA12, которые показаны на рис.1 (а). Измерения объемной массовой плотности дают \ (\ varrho = 3,2 \) г / см 3 для максимальной доли магнитного соединения \ ({\ varrho} _ {m} = 100 \% \). Это на 15% ниже теоретической объемной массовой плотности соединения. С помощью техники осаждения FDM невозможно печатать полные плотные объекты. То обстоятельство, что высокая доля наполнителя в виде частиц NdFeB снижает текучесть нитей, также снижает максимальную объемную массовую плотность печатаемых объектов.Соединение демонстрирует остаточную намагниченность B р = 314 мТл и коэрцитивная сила H cj = 745 кА / м. Однако остаточная намагниченность B р линейно уменьшается с увеличением доли магнитного соединения \ ({\ varrho} _ {m} \) (рис. 1 (b)). Это означает, что максимальный энергетический продукт (( BH макс. {2} \).Чтобы сравнить метод печати с переменной магнитной составной фракцией, кубоид размером 10 × 40 × 10 мм 3 (Д × Ш × В) с функцией магнитного распределения абсолютного значения \ (({\ varrho} _ {m} = 100 \, \% / (W \ mathrm {/ 2)} | {r} _ {y} | \, \%) \) печатается (рис. 1 (c)). Образец намагничивается внутри электромагнита с силой тока 1,9 Тл по оси z . Объемное сканирование создаваемого поля рассеяния над и под намагниченным кубоидом показано на рис. 1 (d). 8 .Это измерение будет использоваться для восстановления распределения намагниченности внутри магнита и, следовательно, для определения качества напечатанного магнита.

Рис. 1

3D-печать магнитов на полимерной связке с переменной долей магнитного соединения. ( a ) Измерения гистерезиса однородно распределенного постоянного магнитного порошка (MQP-S-11-9) внутри матрицы PA12 с различными долями магнитного соединения \ ({\ varrho} _ {m} \). ( b ) Линейная убывающая остаточная намагниченность \ ({B} _ {r} \ sim — {\ varrho} _ {m} \).( c ) Изображение напечатанного кубоида (10 × 40 × 10 мм 3 (Д × Ш × В)) и распределение намагниченности по оси y r y . ( d ) Объемное сканирование создаваемого поля рассеяния над и под напечатанным магнитом.

Обратная задача

Задача вычисления прямого поля рассеяния определяется путем нахождения поля рассеяния для заданной намагниченности.Существуют хорошо зарекомендовавшие себя алгоритмы метода конечных элементов (МКЭ) для расчета поля рассеяния постоянных магнитов 18 . В отличие от прямой задачи, обратная задача, где для заданного магнитного поля вне магнита восстанавливается намагниченность внутри магнита, намного труднее решить (дополнительный рис. 5). Сложность, присущая этой обратной задаче, связана с тем, что (i) обратная задача не является единственной и (ii) лежащая в основе система уравнений плохо обусловлена.В большинстве случаев для такого рода проблем не существует единого решения. Существует способ решения обратной задачи сопряженным методом 19, 20 . В этой статье используется чистый метод МКЭ на основе библиотеки МКЭ FEniCS 13 и библиотеки dolfin-adjoint 21 для автоматического вывода сопряженного уравнения данной прямой задачи. Dolfin-adjoint содержит основу для решения задач оптимизации ограничений в уравнениях в частных производных (PDE).

Прямая задача — это хорошо поставленная задача. Это означает, что решение существует и уникально. Как упоминалось выше, обратная задача некорректна. Для приближенного решения обратной задачи необходима дополнительная информация. Существуют разные методы для получения разумных результатов 22 . Здесь регуляризация Тихонова реализована в системе вычисления обратного поля рассеяния. Решение следующей задачи минимизации приводит к неизвестной намагниченности \ (\ overrightarrow {M} \) для каждого конечного элемента модели в области Ω м (дополнительный рис.{2} \, {\ rm {d}} \ overrightarrow {r}}} \ limits _ {{\ rm {регуляризация}}}) $$

(4)

, где \ ({\ overrightarrow {h}} _ {\ rm {sim}}} \) — это поле рассеяния, вычисленное прямой задачей в определенной области Ω h , с магнитным потенциалом u . \ ({\ overrightarrow {h}} _ {\ exp} \) — измеренное или целевое поле рассеяния в той же области Ω h . α ≥ 0 — параметр регуляризации Тихонова.В данном случае α имеет единицу m 2 . Обратная задача решается с помощью континуального подхода. При этом не рассматриваются отдельные частицы, а вместо этого плотность частиц аппроксимируется непрерывным полем плотности. Как следствие, нет общих ограничений на размер сетки для получения разумных результатов. Мы дискретизируем все поля (\ ({\ overrightarrow {h}} _ {\ rm {sim}}} \), \ ({\ overrightarrow {h}} _ {\ exp} \), \ (\ overrightarrow {M } \)) с кусочно аффинными глобально непрерывными функциями и применить метод усечения для прямой задачи. {2} \) в логарифмическом масштабе для изменения α ∈ [0 , ∞).Оптимальный остаточный параметр α находится там, где кривая имеет максимальную кривизну κ max (угол L-образной кривой). Это значение α дает хороший компромисс между изменением нормы невязки и уменьшением нормы решения (дополнительный рисунок 6). Чтобы решить проблему минимизации в уравнении. 4 используется программная библиотека IPOPT для крупномасштабных систем нелинейной оптимизации 24 .

Реконструированное намагничивание

Для тестирования структуры обратного поля рассеяния и определения качества напечатанного на 3D-принтере магнитного кубоида с абсолютным магнитным распределением по оси y , напечатанный и намагниченный магнит сканируется с обеих сторон в объеме. 40 × 12 × 2 мм 3 (Д × Ш × В) с пространственным разрешением 0.2 мм в направлении намагничивания r z (рис. 1 (г)). Измеренное значение \ ({\ overrightarrow {h}} _ {\ exp} \) является входом для расчета обратного поля рассеяния. Моделирование выполняется для диапазона различных параметров регуляризации Тихонова α = 10 x м 2 с x ∈ [−9,4, 3] и размером шага 0,4. Что касается погрешности измерения, L-кривая отличается от идеальной (дополнительный рис.6). Во-первых, ограничивается область с оптимальным параметром α ; тогда максимальная кривизна κ max в этом регионе. На рисунке 2 (а) показана L-кривая с различными значениями α и оптимальное решение с α . opt = 6,4 · 10 −3 м 2 . Сетка моделирования состоит из 315941 тетраэдрических элементов с размером ячейки магнитной области 0.25 мм. Рисунок 2 (b) иллюстрирует распределение намагниченности M z , что пропорционально распределению фракции магнитного соединения внутри магнита. Намагниченность М z является функцией r y , как и ожидалось, но это также зависит от r z .В нашем случае используются только измерения под и над магнитом. Следовательно, алгоритм не может восстановить идеальное распределение, и печать не идеальна. Однако пример показывает хорошее соответствие между результатами эксперимента и моделирования. Линейная развертка на 1,5 мм выше магнита по сравнению с результатами моделирования показана на рис. 2 (c). Это указывает на хорошее согласие между измерениями и результатами расчета обратного поля рассеяния. Распределение по оси y в середине магнита показано на рис.2 (г). Восстановленная намагниченность \ ({M} _ {{z} _ {{\ rm {inv}}}} \) очень хорошо согласуется с идеальным распределением намагниченности \ ({M} _ {{\ rm {ideal}}} = {M} _ {{\ rm {\ max}}} / (W \ mathrm {/ 2) |} {r} _ {y} | \) mT или \ ({\ varrho} _ {m} = 100 \, \% / (W \ mathrm {/ 2) |} {r} _ {y} | \)% для распределения фракций магнитного соединения, где M max — максимальная намагниченность, а Вт — ширина магнита. Реконструированные компоненты \ ({M} _ {{x} _ {{\ rm {inv}}}} \) и \ ({M} _ {{y} _ {{\ rm {inv}}}}} \) малы по сравнению с z-компонентой.Это соответствует ожиданиям от постоянного магнита с печатью. Дополнительная анимация показывает изменение распределения намагниченности и результирующее поле рассеяния при различных параметрах регуляризации по Тихонову α . Если α → 0, распределение магнитной составной доли \ ({\ varrho} _ {m} \) нефизично, но поле рассеяния согласуется с данными измерений. Если α → ∞, \ ({M} _ {{z} _ {{\ rm {inv}}}} = 1 \) мТл для всей магнитной области, и, следовательно, поле рассеяния над магнитом несовместимо с данными измерений.

Рисунок 2

Реконструированная намагниченность прямоугольной печатной структуры. ( a ) L-кривая для поиска оптимального параметра регуляризации Тихонова α . ( b ) Реконструированное распределение намагниченности мкм 0 M z магнита. ( c ) Линейная развертка поля рассеяния на 1,5 мм выше магнита по сравнению с результатами моделирования обратного поля рассеяния.( d ) Идеальное намагничивание в середине магнита по оси y r y по сравнению с восстановленным распределением намагниченности.

Предопределенное поле рассеяния

Вместо использования метода обратного поля рассеяния для исследования уже напечатанных магнитов, этот метод также можно использовать для разработки магнитов с особыми свойствами поля рассеяния.В качестве примеров мы вычисляем оптимальное распределение намагниченности для геометрии полого цилиндра для различных целевых полей внутри цилиндра. Полые цилиндры имеют размеры ∅25, 20 и 50 мм ( d внешний , d внутренний , L ) с линейным и постоянным распределением поля рассеяния внутри полого магнита. На рисунке 3 (а) представлена ​​модель магнита с магнитной областью Ω м и область для заранее заданного поля рассеяния Ω h .Сетка Ω моделирования состоит из 455306 тетраэдрических элементов с размером ячейки магнитной области Ω м 0,4 мм. Направление печати — по оси z . По этой причине переменная \ ({\ overrightarrow {h}} _ {\ exp} \) в уравнении. 4 представляет не данные измерений, а желаемое поле рассеяния в распределениях Ω h . M х и M y зафиксированы на нуле, а максимум M z ограничивается используемым магнитным материалом.В противном случае настоящий печатный магнит не сможет достичь желаемой намагниченности. Проверяются два различных распределения поля рассеяния. Первый — это постоянная плотность магнитного потока B z = 5,5 мТл по оси z r z ∈ [10, 40] мм; второй — линейно увеличивающееся поле B z = 2 + 0.15 р z мТл / мм по оси z r z ∈ [10, 40] мм. Постоянное магнитное поле внутри полого цилиндра можно использовать для калибровки датчиков, где положение датчика меняется. Линейно увеличивающееся поле можно использовать для реализации системы линейного позиционирования. В этом случае одномерного датчика достаточно для точной системы определения положения 25 .Полученное распределение фракции магнитного соединения вдоль оси z показано на рис. 3 (b). На рисунке 3 (c) показано сравнение моделирования и измерений в середине полых цилиндров. Моделирование обратного поля рассеяния для обоих примеров выполняется для различных параметров регуляризации Тихонова α = 10 x м 2 с x ∈ [−10, 1]. L-кривая для обоих моделей представлена ​​на рис. 3 (d). α opt хорошо виден и отмечен зеленым ( α опт = 2.5 · 10 −7 м 2 для обеих конструкций). Внутри полевых ящиков с размерами в мм ,2, 30 ( d , L ) обеспечивается хорошее соответствие между печатными и имитируемыми магнитами. Изображение одного из напечатанных магнитов представлено на рис. 3 (е).

Рис. 3

3D-отпечатки полого магнитного цилиндра с переменным распределением доли магнитного соединения для создания заранее заданного поля рассеяния внутри цилиндра. (а) Модель полого цилиндрического магнита размером в мм (25, ∅20, 50 ( d внешний , d внутренний , L )) с предопределенным полем рассеяния в поле поля (∅2, 30 ( d , L )).( b ) Распределение доли магнитного соединения \ ({\ varrho} _ {m} \) вдоль оси z r z для создания постоянного и линейного поля рассеяния в поле поля соответственно. ( c ) Измерения рассеянного поля B z по сравнению с моделированием обратного поля рассеяния в центре полого цилиндра для магнита, генерирующего линейное и постоянное поле, соответственно.( d ) L-кривая для обоих планов для поиска оптимального параметра регуляризации Тихонова α . ( e ) Изображение полого цилиндрического магнита.

Ошибка между измерениями и моделированием показана на рис. 4 (а). Ошибка изменяется вдоль оси z и составляет около 6% для постоянной конструкции и 4% для линейной конструкции. Еще одна важная особенность этой магнитной конструкции — однородность B . z .Однородность определяется как \ (\ tau = ({B} _ {z} (r) / {B} _ {z} \ mathrm {(0)} — \ mathrm {1) 100 \%} \). На рис. 4 (б) показан график однородности τ в пределах радиуса r . z = 2,5 мм в трех плоскостях ( r z = 15, 25, 35 мм) внутри полого цилиндра. Отклонение однородности менее 2%.

Рисунок 4

Ошибки напечатанных магнитов для заранее заданного поля рассеяния.( a ) Ошибка между измеренным полем рассеяния и моделированием обратного поля рассеяния вдоль оси z r z для магнитов генератора линейных и постоянных полей рассеяния. ( b ) Однородность τ в радиусе r = 2,5 мм в трех плоскостях ( r z = 15, 25, 35 мм).

Использование энтропии переноса

Abstract

Обсуждаемый вопрос о возможной связи между магнитным полем Земли и климатом обычно сосредоточен на прямой корреляции между различными временными рядами, представляющими обе системы. Однако физический механизм, который потенциально может объяснить эту связь, все еще остается открытым. Обнаружение намеков на то, как эта связь может работать, предполагало бы важный шаг вперед в поисках адекватного физического механизма.Здесь мы предлагаем инновационный теоретико-информационный инструмент, то есть энтропию передачи, в качестве хорошего кандидата для этой области, поскольку он может определить не просто возможное наличие связи, но даже направление, в котором создается ссылка. Мы применили эту новую методологию к двум временным рядам в реальном времени: протяженность области Южно-Атлантической аномалии (SAA) на поверхности Земли (представляющая систему геомагнитного поля) и повышение глобального уровня моря (GSL) (для климатической системы) для последнего 300 лет, чтобы измерить возможный информационный поток и смысл между ними.Ранее эта связь предлагалась с учетом только долгосрочного тренда, а сейчас мы изучаем эту возможность также в более коротких масштабах. Новые результаты, похоже, подтверждают эту гипотезу, при этом больше информации, переданной из SAA во временные ряды GSL, с уровнем достоверности около 90%. Этот результат дает новые подсказки о существовании связи между геомагнитным полем и климатом Земли в прошлом и о задействованном физическом механизме, потому что благодаря применению энтропии переноса мы определили, что смысл связи кажется перейти от системы, создающей геомагнитное поле, к климатической системе.Конечно, эта связь не означает, что геомагнитное поле полностью отвечает за изменения климата, скорее, это важный движущий компонент изменений климата.

Образец цитирования: Campuzano SA, De Santis A, Pavón-Carrasco FJ, Osete ML, Qamili E (2018) Новые перспективы в изучении связи магнитного поля Земли и климата: использование энтропии переноса. PLoS ONE 13 (11): e0207270. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0207270

Редактор: Haroldo V. Ribeiro, Universidade Estadual de Maringa, BRAZIL

Поступила: 31 мая 2018 г .; Принята к печати: 29 октября 2018 г .; Опубликован: 15 ноября 2018 г.

Авторские права: © 2018 Campuzano et al. Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Доступность данных: Все соответствующие данные находятся в документе и его файлах с вспомогательной информацией.

Источник: S.A.C., F.J.P.C. и M.L.O. выражаем благодарность испанскому исследовательскому проекту CGL2017-87015-P Министерства экономики и конкуренции Испании и гранту ИПИ BES-2012-052991, который позволил S.A.C. два трехмесячных пребывания в INGV в Риме в 2014 и 2015 годах (EEBB-I-14-09023 и EEBB-I-15-10151). ОБЪЯВЛЕНИЯ. также благодарит финансируемые ЕКА проекты TEMPO и LIMADOU за частичную финансовую поддержку этого исследования.Коммерческий спонсор Serco SpA также предоставил поддержку в виде заработной платы автору EQ, но не имел никакой дополнительной роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, решении о публикации или подготовке рукописи. Конкретные роли этих авторов сформулированы в разделе «Авторский вклад».

Конкурирующие интересы: Коммерческий спонсор Serco SpA предоставил поддержку в виде заработной платы автору EQ, но не имел никакой дополнительной роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, решении о публикации или подготовке рукописи.Это не влияет на нашу приверженность политике PLOS ONE в отношении обмена данными и материалами.

Введение

Возможная связь между климатом Земли и геомагнитным полем активно обсуждалась в последние пятьдесят лет (например, [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]), но это все еще открытый вопрос. Первые серьезные предложения, количественно определяющие эту возможную связь, были сделаны Wollin et al. [1], который указал, что низкая геомагнитная интенсивность обычно связана с периодами теплого климата (аналогично текущей ситуации), и Буча [10], который предположил, что дрейф геомагнитных полюсов мог быть причиной смещения большого минимума. -область давления атмосферы Земли, связанная с усилением циклонической активности и резкими изменениями климата [11].

В течение последних нескольких десятилетий были предложены другие механизмы, которые могли бы объяснить связь геомагнитного поля и климата (например, [3, 4, 6, 8]). Наиболее вероятное в долгосрочном масштабе связано со скоростью галактических космических лучей, приходящих к поверхности Земли. Этот поток галактических космических лучей модулируется интенсивностью магнитных полей Солнца и Земли, которые действуют как защитный экран. Высокие значения напряженности магнитного поля Солнца (и Земли) усиливают щит, и тогда ожидается низкая плотность галактических космических лучей, приходящих в Солнечную систему (и, в свою очередь, на Землю) [12].Попадая в атмосферу, космические лучи могут играть важную роль в формировании облаков [13, 14] и, таким образом, геомагнитное поле будет вовлечено в климатические процессы. То есть уменьшение напряженности геомагнитного поля позволило бы более интенсивному проникновению галактических космических лучей на Землю, что могло бы усилить образование низколежащих облаков [15, 16, 17] или увеличить глобальный облачный покров, что приведет к охлаждению тропосферы [ 3]. Этот механизм был использован для объяснения возможной связи между интенсивностью магнитного поля Земли и климатом в ледниково-межледниковых временных масштабах, поскольку минимумы дипольного момента (связанные с геомагнитными экскурсиями), по-видимому, происходят незадолго до наступления относительно холодных интервалов [6, 8]. .Это предполагает связь между низкой геомагнитной интенсивностью и похолоданием климата. Однако такая связь может быть косвенной, как указывали эти авторы, поскольку вариации напряженности геомагнитного поля могут фактически быть связаны с вариациями параметров орбиты Земли [6], которые считаются основными климатическими факторами в мире. Плейстоцен [18]. Дергачев и др. [19] также изучали связь между краткосрочной геомагнитной изменчивостью (рывками) и изменением климата, а также ускоренным дрейфом северного магнитного полюса и вариациями температуры поверхности.Они также предлагают в качестве более вероятного механизма связь между проникновением космических лучей и образованием облаков.

С другой стороны, Gallet et al. [4] сравнили наступление и отступление альпийских ледников в течение последних трех тысячелетий с увеличением и уменьшением напряженности геомагнитного поля в Париже, оцененным на основе археомагнитных данных (палеомагнитные данные из нагретых археологических артефактов). Более поздняя работа с более полной базой данных по палеомагнитной интенсивности подтвердила аналогичную связь в европейском континентальном масштабе [20].Результаты этих исследований предполагают возможную связь между эпизодами похолодания столетнего масштаба и повышенной геомагнитной интенсивностью, противоположной механизму галактических космических лучей [3, 6, 8, 16, 17], но в соответствии с первыми связями, установленными в 70-х годах. [1, 10, 11].

Другие исследования указывают на другие возможные механизмы, объясняющие эту связь, такие как экспериментальный результат Пазура и Винкльхофера [21]. Они сосредоточены на влиянии интенсивности геомагнитного поля на растворимость CO 2 в океане.Они заметили, что низкие значения напряженности геомагнитного поля снижают растворимость CO 2 в океане, вытесняя больше CO 2 в атмосферу и повышая температуру.

Для более коротких временных масштабов, т.е. последних 300 лет, De Santis et al. [22, 23] наблюдали аналогичную временную тенденцию между увеличением площади Южно-Атлантической аномалии (SAA) на поверхности Земли и повышением глобального уровня моря (GSL). SAA — одна из самых выдающихся характеристик геомагнитного поля.Это крупная геомагнитная аномалия, в настоящее время охватывающая большую территорию над западным побережьем Африки, южной частью Атлантического океана, большей частью Южной Америки и юго-восточной частью Тихого океана, которая достигает более низких значений интенсивности, чем ожидалось в этих геомагнитных широтах. . В нескольких исследованиях [24, 25, 26, 27, 28] указывается, что эта аномалия является реакцией на поверхности Земли пятен обратного потока, расположенных на земном реликтовом излучении (границе ядро-мантия). Де Сантис и др. [22] предложили три механизма для объяснения этой возможной связи, основанные на проникновении заряженных частиц из космоса, возможном уменьшении озонового слоя в верхних слоях стратосферы над регионом Южной Атлантики и / или общей внутренней причине, разделяемой как SAA, так и GSL. вариации во времени.

Все эти работы и предложенные физические механизмы приводят к выводу, что возможная связь между климатом Земли и геомагнитным полем далека от демонстрации и понимания.

В этой работе мы предлагаем впервые изучить возможную причинно-следственную связь между двумя ранее изученными временными рядами в реальном времени с помощью инновационного статистического инструмента для нелинейных динамических исследований, который измеряет поток информации и смысл этого поток: Энтропия переноса (TE) [29].Эта мера использовалась в других областях науки в течение последних десятилетий, например, в климатическом контексте [30, 31] или в исследованиях геомагнитной активности [32]. Мы применим его к протяженности поверхности SAA и подъему GSL за последние 300 лет после De Santis et al. [22], но в более коротких масштабах. Мы выбрали эти два временных ряда, потому что они важны в контексте природных опасностей. Текущее сильное уменьшение поля главного геомагнитного диполя может в конечном итоге указывать на инверсию (например, [33, 34]).Кроме того, он играет основную роль в экранировании большей части солнечного и галактического излучения из космоса, иначе проникает в большем количестве в атмосферу и причиняет возможный вред здоровью и окружающей среде. Кроме того, понимание того, будет ли нынешняя тенденция к увеличению GSL продолжаться или нет в ближайшем будущем, имеет жизненно важное значение из-за возможного увеличения покрытия новых земель морем.

Настоящая статья структурирована следующим образом: в первом разделе мы представляем выбранные временные ряды для проведения этого анализа.Затем мы объясняем детали основных методологий, применяемых в этой работе. Наконец, в обсуждении и выводах мы резюмируем достигнутые результаты и их возможные последствия в будущем.

Data

Мы анализируем два временных ряда: а) протяженность площади SAA на поверхности Земли, заданную историческими моделями геомагнитного поля (модель GUFM1, [35]; и более поздние модификации [27, 36]), и б) GSL. реконструкция за последние 300 лет [37]. Оба временных ряда подробно описаны ниже.

На практике протяженность поверхности SAA может быть определена площадью ниже заданной контурной линии интенсивности на поверхности Земли (здесь мы выбрали контурную линию 32000 нТл, следуя Де Сантису и др. [22]). Протяженность поверхности SAA была рассчитана на основе трех упомянутых исторических моделей геомагнитного поля за последние 400 лет. Разница между этими моделями заключается в методе, использованном для оценки первого коэффициента Гаусса (g 1 0 ) до 1840 года нашей эры из-за отсутствия инструментальных данных об интенсивности до этого года.Джексон и др. [35] линейно экстраполировали значение этого коэффициента назад с 1840 года, и они предположили, что постоянная скорость временной эволюции составляет 15 нТл / год, что соответствует средней временной скорости g 1 0 с 1850 по 1990 год. Gubbins et al. al. [27] модифицировали g 1 0 , используя палеомагнитную базу данных интенсивности [38] за период с 1590 по 1840 год, чтобы получить более реалистичное значение этого коэффициента. Совсем недавно Финли [36], используя ту же палеомагнитную базу данных, применил различные статистические подходы, чтобы снова зафиксировать коэффициент g 1 0 , не давая скорости изменения этого коэффициента от 1590 до 1840.Следовательно, оценки протяженности поверхности SAA, полученные с помощью этих моделей, немного различаются для времен до 1840 г., но совпадают для самого последнего периода (см. Рис. 1a).

Рис. 1. Эволюция временных рядов.

Эволюция а) протяженности площади САА (в пределах изолинии 32000 нТл геомагнитного поля) на поверхности Земли в км 2 по трем глобальным моделям геомагнитного поля [27, 35, 36] и б) подъем GSL в мм , за последние 300 лет (1700–2000). Линии представляют подгонки с использованием штрафных кубических сплайнов: (красный, зеленый, синий) SAA, полученный из Jackson et al.[35], Gubbins et al. [27] и Finlay [36], соответственно, и (серый) GSL.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0207270.g001

Для глобального среднего уровня моря (GSL) мы используем реконструкцию с 1700 года, основанную на самых длинных доступных записях мареографов [37] (http: //www.psmsl.org/products/reconstructions/jevrejevaetal2008.php), где были устранены эффекты вертикального движения суши, вызванного ледниковой изостатической регулировкой твердой Земли. Евреева и др.[37] расширили запись назад с 1850 года, используя три из самых длинных (хотя и прерывистых) имеющихся данных по мареографам, что является ошибкой реконструкции выше в эту эпоху (рис. 1b).

Мы сгладили как серии SAA, так и серии GSL, используя кубические сплайны со штрафными очками, чтобы избежать будущих математических артефактов, возникающих в результате различий в реконструкции до и после 1850 года. Для обеих записей подгонка проводилась с использованием узловых точек каждые 5 лет. от 1700 до 2000 и параметр затухания сплайна 10 лет 4 / км 4 и 10 лет 4 / мм 2 для временных рядов SAA и GSL, соответственно.Эти оптимальные значения были оценены в соответствии со среднеквадратичной ошибкой (см. Рис. A в файле S1).

Как правило, переносная энтропия (TE) применяется к стационарным временным рядам [39]. Однако, как видно из рис. 1, серии SAA и GSL нельзя разумно считать стационарными, поскольку обе кривые почти монотонно растут. По этой причине мы применим TE к временным рядам аномалии после удаления наиболее подходящего долгопериодного тренда (см. Рис. 2). В нашем случае мы выбираем простейшую полиномиальную функцию, которая учитывает временную эволюцию ряда: полином второго порядка, который кажется лучшим компромиссом для устранения разумного тренда, а не для полного уничтожения некоторых аналогичных короткопериодных флуктуаций в обоих рядах.Положительная / отрицательная аномалия будет означать, что протяженность площади SAA или подъем GSL будут больше / меньше, чем ожидалось.

Рис 2. Эволюция аномалий временных рядов.

Красные, зеленые и синие линии соответствуют аномалиям SAA, полученным из Jackson et al. [35], Gubbins et al. [27] и Финли [36] соответственно. Серая линия представляет аномалии GSL. См текст для дополнительной информации. Оба временных ряда были нормализованы до нулевого среднего и единичной дисперсии.

https: // doi.org / 10.1371 / journal.pone.0207270.g002

Методы

TE — теоретико-информационная мера, введенная Шрайбером [29] как обобщение взаимной информации [40]. В то время как взаимная информация не содержит ни динамики, ни информации о направлении, TE учитывает динамику передачи информации между двумя системами. Это позволяет количественно оценить как обмен информацией, так и преобладающий смысл этого потока.

Основы ТЭ можно найти в основных работах по теории информации [41].Энтропия Шеннона определяется по формуле: (1) где i представляет состояния, которые процесс I может принять, а p (i) — распределение вероятностей, которому они следуют. Эта величина измеряет средний объем информации, необходимый для оптимального кодирования процесса.

Из марковских процессов конечного порядка Шрайбер [29] ввел меру для количественной оценки передачи информации между двумя разными временными рядами, основанную на соответственно обусловленных вероятностях перехода вместо статических вероятностей.Если предположить, что исследуемая система может быть аппроксимирована стационарным марковским процессом порядка k , вероятности перехода, описывающие эволюцию системы, равны p ( i n +1 | i n ,…, i n k +1 ). Если два процесса I и J независимы, то обобщенное марковское свойство (2) где и l указывает количество состояний кондиционирования для процесса J .

Шрайбер [29] предложил, используя энтропию Кульбака для условных вероятностей [42, 43], измерить неверность предположения об обобщенном марковском свойстве (уравнение [2]), то есть I и J независимы, в результате чего в: (3) обозначается как энтропия переноса (схематическое представление TE можно найти на рис. B в файле S1). TE можно понимать как избыточный объем информации, который должен использоваться для кодирования состояния процесса, ошибочно предполагая, что фактическая функция распределения вероятности перехода равна, а не.

Вычисление TE на реальных временных рядах имеет некоторые недостатки и ограничения, которые необходимо устранить наилучшим образом: 1) выбор стратегии, используемой для вычисления TE: метод дискретизации и оптимальные параметры. Результаты зависят от различных используемых параметров, и важно убедиться, что мы находим приблизительно неизменные результаты с разными их наборами. 2) Конечный размер выборки реального временного ряда: всегда необходимо проверять, достаточно ли количества данных для применения TE.Изучая логарифмическую апостериорную вероятность для оптимального количества интервалов S , используемых для дискретизации временного ряда, можно проверить, достаточно ли данных у вас, и этот метод используется в данной работе. 3) Интерпретация результатов ТЕ: Смирнов [44] указал на неспособность ТЕ отличить косвенные воздействия от прямых воздействий. В общем, наиболее широко используемая интерпретация TE заключается в том, чтобы считать, что, если он существует, это означает, что существует информационный поток или передача между двумя анализируемыми временными рядами ( I , J ).Джеймс и др. [45] обнаружили, что энтропия, подобная передаче, может как переоценивать информационный поток, так и недооценивать влияние. Они предложили новую интерпретацию энтропии переноса как меры уменьшения неопределенности в отношении одного временного ряда для другого, а не как информационного потока или передачи, что понимается как наличие информации, которая в настоящее время находится в I , вызвано исключительно by J Прошлое .

Существуют разные стратегии расчета TE на основе анализа реальных данных.Здесь мы используем метод, основанный на дискретизации временного ряда, который подробно объяснил Сандовал-младший [46]. Этот метод заключается в разделении данных на несколько интервалов S путем присвоения числового символа каждому интервалу от 1 до S . Каждый символ соответствует диапазону значений ряда данных, которые заменяются назначенными символами (от 1 до S ).

Очевидно, что расчет TE будет зависеть от конкретного выбранного раздела S .Чтобы получить оптимальное количество бинов S , мы рассмотрим подход, предложенный Кнутом [47], где S задается максимизацией апостериорной вероятности p ( S | N , к ). Учитывая однородную гистограмму ширины бина для набора статистических данных из N выборок, апостериорная вероятность p ( S N , n k ) определяется как: (4) где n k — количество отсчетов в интервале k th , V — длина диапазона данных, а Γ — гамма-функция.В задачах оптимизации обычно максимизируют логарифм уравнения [4] [47], также потому, что по поведению логарифма можно определить, достаточно ли длинные выбранные временные ряды для анализа с помощью такого инструмента, как TE [ 48]. По этой причине мы максимизируем логарифм апостериорной вероятности, чтобы, во-первых, определить, является ли выбранный временной ряд достаточно длинным, а затем оценить оптимальное количество интервалов.

После того, как мы проверили, что количества данных достаточно, и оценили оптимальное количество бинов S , мы дискретизируем временной ряд, как мы объяснили выше, и вычисляем TE непосредственно из уравнения [3], данного Шрайбером [29]. , с и представляющими обе участвующие серии.Выбор размера заделки k и l является ключевым моментом при вычислении TE. Если размер слишком мал, информация, содержащаяся в прошлом времени (или в памяти) серии I , может быть назначена для получения из J . Чтобы этого избежать, мы должны получить, что серия I не зависит от себя с задержкой k . Поэтому мы основываем выбор этого параметра на определении взаимной информации между временным рядом I и самим собой с задержкой k [49]: (5) I k временной ряд I с задержкой k .Значение k , связанное с первым локальным минимумом, указанным в уравнении [5], считается оптимальной размерностью встраивания.

Для размера заделки л серии J обычно принимают л = 1 или л = k [29, 39]. При консервативном подходе мы рассматриваем l = 1. Чтобы вычислить различные вероятности уравнения [3], мы просто подсчитываем, сколько раз символ или последовательность символов появляется в нашем временном ряду.

Из-за конечного размера временного ряда и уменьшенного количества данных очень важно установить порог, при котором результат может считаться значимым. Чтобы установить статистическую значимость наших результатов, мы вычисляем TE с точками данных серии J , которая представляет собой источник предполагаемого информационного потока, перемешанного случайным образом [39, 50]. Цель этой процедуры — разрушить все возможные отношения между двумя сериями, I и J , и, следовательно, наблюдаемое TE должно быть нулевым.В конечных временных рядах это значение редко равно нулю из-за эффектов конечной выборки, и мы получаем пороговое значение TE, выше которого является значительным. Практически мы создаем 1000 суррогатных временных рядов J , используя метод итеративного преобразования Фурье с корректировкой по амплитуде (IAAFT) [51, 52, 53]. Эта процедура гарантирует, что суррогатный временной ряд имеет такое же среднее значение, дисперсию, автокорреляционную функцию и, следовательно, спектр мощности, что и исходный ряд, но разрушает нелинейные отношения и, следовательно, фактически значимая информация передается из J в I ряд.Чтобы считать исходный TE значимым, мы считаем, что нулевая гипотеза 5% является нулевой гипотезой о том, что энтропия переноса между двумя исходными временными рядами не имеет значения. Независимо от того, являются ли 95% новых значений TE, рассчитанных из суррогатной серии J , меньше исходной, тогда мы считаем исходное TE значимым.

Результаты и обсуждение

Анализ логарифма уравнения [4] (логарифм апостериорного) в функции от количества интервалов дает полезную информацию: а) оба временных ряда достаточно длинные для применения TE и б) выбор оптимальное количество бинов S в соответствии с максимумом в логарифмической апостериорной функции (см. рис. 3a и 3b).Лог-апостериор аномалий SAA (рис. 3a) резко увеличивается в соответствии с количеством рассматриваемых интервалов, достигая пика (соответствующего оптимальному количеству интервалов S = 5), а затем уменьшаясь. Относительно серии аномалий GSL (рис. 3b), задний логарифм также постепенно уменьшается, но максимум не так очевиден. Такое поведение указывает на достаточный объем данных для проведения этого анализа с помощью TE, но эффекты конечной выборки могут быть важны. Из-за отсутствия очевидного пика в серии аномалий GSL мы устанавливаем соответствие между логарифмической апостериорной кривой и основными характеристиками гистограммы временного ряда.Принимая во внимание Рис. 3d, мы считаем, что с S = 4 мы захватили основную информацию этой серии (см. Также Рис. C в файле S1). Наконец, чтобы избежать смещения в будущем при вычислении TE, мы выбираем одинаковое количество интервалов S для обоих временных рядов, т.е. равное 4 (см. Таблицу 1 и Рис. C в файле S1) из-за большего размера интервала размеры (меньшие S ) обычно отдают предпочтение в литературе, потому что показывают различия более резко [46].

Рис 3. Оценка длины временного ряда и оптимального количества бинов.

Логарифмические апостериорные кривые в зависимости от количества интервалов S : a) для аномалий SAA, рассчитанных по Jackson et al. [35] и б) для аномалий GSL. Подграфикы c) и d) представляют оранжевым и голубым цветом соответственно выбранную дискретизацию ( S = 4) с учетом результатов, приведенных в a) и b), а также основные характеристики плотности вероятности обоих системы (см. красные и синие полосы на графиках c) и d)). Планки погрешностей показывают стандартное отклонение высоты бункера.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0207270.g003

Как указано в методологии, выбор размерности внедрения k для обеих серий был выполнен с использованием взаимной информации, представленной уравнением [5] . Результаты представлены на рисунках Da и Db и содержатся в таблице Ab в файле S1. Для серии аномалий GSL оптимальный размер был получен для k GSL = 13, в то время как различные значения были получены для 3 серий аномалий SAA (24 для серии аномалий SAA Джексона и др.[35]; и 26 для двух других серий). Тем не менее, поскольку различные размеры встраивания могут вызывать смещение TE [54], мы зафиксировали размер k SAA в 26 для всех трех серий аномалий SAA, поскольку небольшое чрезмерное встраивание не препятствует обнаружению значительного TE [55]. Чтобы подтвердить различное значение размерности k для серий GSL и SAA, мы также вычислили автокорреляционную функцию, поскольку простейшая оценка оптимального k является первым нулем автокорреляционной функции [56, 57].Проблема в том, что эти оценки обычно дают слишком большие k значений для стохастических динамических систем [58]. Фактически, первый минимум аномалий SAA приведен в k SAA = 29, а для аномалий GSL в k GSL = 17 (рис. Dc и Dd в файле S1). Согласно взаимной информации ( k SAA = 26 и k GSL = 13), автокорреляционные функции также указывают на меньший объем памяти для серии GSL, чем для трех серий SAA.

Чтобы оценить, как выбор этих параметров ( S , k ) влияет на результаты, мы выполнили несколько тестов с использованием разных их наборов. Результаты подробно описаны в файле S1 вместе с таблицами A и B. Кроме того, мы выполнили различные тесты, чтобы изучить влияние: а) использования другого подхода детрендинга для определения аномалий (рис. E и таблица C в S1. Файл) и б) использование негладких временных рядов GSL (рис. F и таблица D в файле S1).Подробную информацию об этих тестах можно также найти в файле S1. Мы обнаружили, что эти изменения могут незначительно повлиять на статистическую значимость наших результатов, но не на смысл информационного потока между двумя временными рядами.

Для выбранных параметров результаты TE (уравнение [3]) приведены в таблице 2 и на рисунках 4 и 5. Как можно заметить, существует значительный поток информации от SAA к аномалиям GSL при рассмотрении 5% нулевой гипотезы. когда самые последние модели геомагнитного поля, представленные Gubbins et al.[27] и Финли [36]. В любом случае, значимые уровни, рассчитанные в соответствии с подходом IAATF, проясняются, с процентными долями около 90% во всех случаях для аномалий TE от SAA до GSL. Этот результат указывает на то, что аномалии SAA добавляют большую предсказуемость аномалиям GSL, предполагая взаимодействие между двумя временными рядами аномалий во временной шкале, меньшей или равной двум последовательным данным, то есть за один год. Однако необходимо провести дополнительные исследования временной задержки, которая требует влияния для распространения между обеими сериями (например,грамм. [32, 30, 59]).

Рис. 4. Результаты анализа энтропии переноса.

Передача энтропии путем измерения потока информации от аномалий SAA к аномалиям GSL и от аномалий GSL к аномалиям SAA с использованием трех исторических моделей геомагнитного поля для вычисления протяженности поверхности SAA. В скобках значимый уровень указывает процент ТЕ, рассчитанных из суррогатных рядов, которые меньше исходных ТЕ.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0207270.g004

Рис. 5. Статистическая значимость результатов переноса энтропии.

Энтропия переноса, рассчитанная на основе суррогатных рядов a), c) и e) аномалий SAA из Jackson et al. [35] (SAA J ), Gubbins et al. [27] (SAA G ) и Финли [36] (SAA F ) соответственно и b), d) и f) аномалии GSL. Результаты показывают, что статистическая значимость выше, когда смысл информации переходит от SAA к аномалиям GSL, также регистрируя более высокие значения TE.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0207270.g005

Принимая во внимание эти результаты, можно было бы ожидать, что будущая аномалия SAA с учетом выбранной нами тенденции генерирует аномалию GSL с временным лагом в один год или меньше. Предлагается несколько физических механизмов, объясняющих эту возможную связь [22]. Первый из них заключается в том, что увеличение площади SAA облегчает вход заряженных частиц из космоса. Если протяженность области SAA увеличивается больше, чем ожидается (положительная аномалия), то этот вход является предпочтительным.В результате у нас более теплая атмосфера, что, в свою очередь, предполагает последующее таяние крупных ледяных шапок (Антарктиды и Гренландия), что в конечном итоге вызовет большее повышение глобального уровня моря (положительная аномалия). Недавние работы (например, [31, 60, 61, 62, 63]) обнаружили интересные корреляции между периодическими вариациями солнечных и галактических космических лучей и климатическими вариациями (такими как температура и осадки) в регионе, где расположена SAA. Вход галактических космических лучей в атмосферу зависит как от солнечного, так и от земного магнитного поля, следовательно, на эти корреляции также может влиять фактор, зависящий от низкой геомагнитной интенсивности из-за присутствия SAA в регионе и ее непрерывного увеличения в течение последних столетий.

Другой предложенный механизм состоит в том, что возможное уменьшение озонового слоя в верхних слоях стратосферы над регионом Южной Атлантики может изменить поток излучения в верхних слоях атмосферы и, следовательно, может вызвать изменения в погодных и климатических моделях, включая облачность. Solanki et al. [64] предлагают аналогичный механизм для объяснения связи между солнечной активностью и климатом, основанный на том факте, что вариации солнечной активности в течение 11-летнего цикла более интенсивны на более коротких длинах волн, включая УФ-излучение.Вариации УФ-излучения изменяют концентрацию озона и приводят к изменению динамики атмосферной циркуляции.

Как мы можем наблюдать, эти два механизма связывают солнечную активность, производство галактических космических лучей и геомагнитное поле с климатом Земли, предполагая, что все они могут работать вместе и необходимы для полного объяснения обнаруженных результатов.

Наконец, был представлен внутренний механизм, с помощью которого конвективный динамизм во внешнем ядре мог вызвать изменение магнитного поля и упругую деформацию на поверхности Земли [65].

В проанализированном тематическом исследовании мы показали, что смысл информации переходит от временных рядов SAA к GSL (рис. 5). Это отвергнет любой физический механизм, в котором климат контролирует геомагнитное поле и поддерживает механизмы, вызванные присутствием SAA.

Выводы

Мы впервые применили недавний статистический инструмент, перенос энтропии, чтобы пролить свет на вопрос о возможной связи между магнитным полем Земли и климатом и предоставить новые перспективы в его будущем анализе.В этой работе мы проанализировали два реальных временных ряда с аналогичной эволюцией за последние 300 лет: протяженность области Южно-Атлантической аномалии на поверхности Земли и повышение глобального уровня моря. Мы проанализировали аномалии обоих временных рядов после удаления долгосрочного тренда. Результаты, кажется, подтверждают существование информационного потока между аномалиями SAA и GSL, при этом больший объем информации передается из SAA в GSL, а уровень достоверности составляет около 90%. Обнаруженная связь не означает, что геомагнитное поле полностью отвечает за климатические изменения, скорее, это важный движущий компонент изменений климата.Этот результат особенно важен, потому что может помочь найти физический механизм, способный объяснить эту связь, отбросив те, в которых климат контролирует геомагнитное поле, и поддерживая механизмы, связанные с геомагнитным полем.

Хотя эта работа, кажется, является благоприятным аргументом в пользу этой связи, необходимы дальнейшие исследования, чтобы полностью использовать эту проблему, например, чтобы проверить другие временные ряды в более длительных временных масштабах.

Вспомогательная информация

Файл S1.Подробное описание дополнительного материала.

Дополнительные рисунки и таблицы. Результаты различных тестов, которые подтверждают основные результаты, описанные в основном тексте, и некоторые тематические исследования, которые помогают лучше понять результаты TE.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0207270.s001

(DOCX)

Благодарности

S.A.C., F.J.P.C. и M.L.O. выражаем благодарность испанскому исследовательскому проекту CGL2017-87015-P Министерства экономики и конкуренции Испании и гранту ИПИ BES-2012-052991, который позволил S.A.C. два трехмесячных пребывания в INGV в Риме в 2014 и 2015 годах (EEBB-I-14-09023 и EEBB-I-15-10151). ОБЪЯВЛЕНИЯ. и S.A.C. также благодарим финансируемые ЕКА проекты TEMPO и LIMADOU за частичную финансовую поддержку этого исследования, а также INGV за предоставление вычислительных и сервисных средств. S.A.C. благодарит J. Jarillo за помощь и советы в развитии этой работы. Авторы очень благодарны двум анонимным рецензентам за их внимательные и подробные рецензии, которые помогли существенно улучшить качество рукописи.Все алгоритмы разработаны в кодеке Matlab (Matlab 7.11.0, R2010b) и R-проекте (R 2.12.2) вместе с рисунками. Использованные данные перечислены в ссылках, таблицах и основной рукописи.

Ссылки

  1. 1. Воллин Г., Эриксон ДБ, Райан ВБФ. Магнетизм Земли и климатические изменения. Планета Земля. Sci. Lett. 1971; 12: 175–183.
  2. 2. Вагнер Дж., Ливингстон Д.М., Масарик Дж., Мушелер Р., Бир Дж. Некоторые результаты, относящиеся к обсуждению возможной связи между космическими лучами и климатом Земли.J. Geophys. Res. 2001; 106: 3381–3387.
  3. 3. Christl M, Mangini A, Holzkämper S, Spötl C. Доказательства связи между потоком галактических космических лучей и климатом Земли за последние 200 000 лет. J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2004; 66 (3–4): 313–322.
  4. 4. Галле И., Женеве А., Флюто Ф. Контролирует ли вековое изменение магнитного поля Земли столетнее изменение климата? Планета Земля. Sci. Lett. 2005; 236: 339–347.
  5. 5. Courtillot V, Gallet Y, Le Mouël J-L, Fluteau F, Женеви А.Есть ли связь между магнитным полем Земли и климатом? Планета Земля. Sci. Lett. 2007; 253: 328–339.
  6. 6. Thouveny N, Bourlès DL, Saracco G, Carcaillet JT, Bassinot F. Палеоклиматический контекст геомагнитных дипольных минимумов и экскурсий в Брюнес, ключ к орбитальному влиянию на геодинамо? Планета Земля. Sci. Lett. 2008; 275 (3–4): 269–284.
  7. 7. Кнудсен М.Ф., Риисагер П. Есть ли связь между магнитным полем Земли и осадками в низких широтах? Геология.2009; 37: 71–74.
  8. 8. Китаба И., Хиодо М., Като С., Деттман Д.Л., Сато Х. Похолодание на средних широтах, вызванное минимумом геомагнитного поля во время смены полярности. PNAS. 2013; 110 (4): 1215–1220. pmid: 23297205
  9. 9. Росси К., Мерц-Краус Р., Осете М.Л. Изменчивость палеоклимата во время геомагнитной экскурсии Блейка (MIS 5d), определенная на основе записи спелеотемы. Четвертичные научные обзоры. 2014; 102: 166–180.
  10. 10. Буча В. Вариации геомагнитного поля, климата и погоды.Stud. Geophys. Geod. 1976; 20: 149–167.
  11. 11. Буча В. Корреляции изменений магнитного поля Земли — климата и погоды, электромагнитного поля Земли (A79-2601309-46). Веда-Выдавательство Slovenskej Akademie Vied, Братислава. 1978; 59–67.
  12. 12. Snowball I, Muscheler R. Данные по палеомагнитной интенсивности: ахиллесова пята реконструкций солнечной активности. Голоцен. 2007; 17, 6: 851–859.
  13. 13. Duplissy J, Enghoff MB, Aplin KL, Arnold F, Aufmhoff H, Avngaard M et al.Результаты пилотного эксперимента CLOUD в ЦЕРНе. Атмос. Chem. Phys. 2010; 10: 1635–1647.
  14. 14. Киркби Дж., Куртиус Дж., Алмейда Дж., Данн Э., Дуплисси Дж., Эрхарт С. и др. Роль серной кислоты, аммиака и галактических космических лучей в зародышеобразовании атмосферного аэрозоля. Природа. 2011; 476: 429–433. pmid: 21866156
  15. 15. Свенсмарк Х., Фриис-Кристенсен Э. Вариация потока космических лучей и глобального покрытия облаков — недостающее звено во взаимосвязи между солнцем и климатом. J. Atm. Solar Terr.Физика. 1997; 59 (11): 1225–1232.
  16. 16. Свенсмарк Х. Влияние космических лучей на климат Земли. Phys. Rev. Lett. 1998; 81 (22): 5027–5030.
  17. 17. Усоскин И.Г., Ковальцов Г.А. Космические лучи и климат Земли: Возможная связь. К. Р. Геоши. 2008; 340 (7): 441–450.
  18. 18. Хейс Дж. Д., Имбри Дж., Шекелтон, штат Нью-Джерси. Вариации орбиты Земли: кардиостимулятор ледниковых периодов. Наука. 1976; 194 (4270): 1121–1132. pmid: 177

  19. 19.Дергачев В., Васильев С., Распопов О., Юнгнер Х. Влияние геомагнитного поля и солнечной радиации на изменение климата. Геомагнетизм и аэрономия. 2012; 52 (8): 959–976.
  20. 20. Павон-Карраско FJ, Osete ML, Torta JM, Gaya-Piqué LR. Региональная археомагнитная модель палеонапряженности в Европе за последние 2000 лет и ее последствия для изменения климата. Pure Appl. Geophys. 2008; 165: 1209–1225.
  21. 21. Пазур А., Винкльхофер М. Магнитное влияние на растворимость СО2 в морской воде: возможная связь между вариациями геомагнитного поля и климатом.Geophys. Res. Lett. 2008; 35 (16).
  22. 22. Де Сантис А., Камили Э., Спада Дж., Гасперини П. Геомагнитная аномалия в Южной Атлантике и повышение уровня мирового океана: прямая связь? J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2012; 74: 129–135.
  23. 23. Де Сантис А., Камили Э., Ву Л. К возможному следующему геомагнитному переходу? Nat. Опасности Earth Syst. Sci. 2013; 13: 3395–3403.
  24. 24. Губбинс Д. Механизм инверсий геомагнитной полярности. Природа. 1987; 326: 167–169.
  25. 25. Хюло Дж., Эймин К., Ланглайс Б., Мандеа М., Олсен Н. Мелкомасштабная структура геодинамо, выведенная из спутниковых данных Ørsted и Magsat. Природа; 2002; 416: 620–623. pmid: 11948347
  26. 26. Олсон П., Амит Х. Изменения диполя Земли. Naturwissenschaften. 2006; 93: 519–542. pmid: 16

    9

  27. 27. Габбинс Д., Джонс А.Л., Финли С.К. Падение в магнитном поле Земли непостоянно. Наука. 2006; 312 (5775): 900–902. pmid: 166
  28. 28.Финлей К.С., Джексон А., Жиллет Н., Олсен Н. Эволюция поверхностного магнитного поля ядра 2000–2010 гг. Geophys. J. Int. 2012; 189 (2): 761–781.
  29. 29. Шрайбер Т. Измерение передачи информации. Phys. Rev. Lett. 2000; 85, 2: 461–464. pmid: 109

  30. 30. Дас Шарма С., Рамеш Д., Бапанайя К., Раджу П. Температура поверхности моря в более прохладные климатические периоды больше похожа на атмосферное воздействие СО2. Журнал геофизических исследований: атмосферы (1984–2012).2012; 117 (D13).
  31. 31. Бхаскар А., Рамеш Д., Вичаре Г., Коганти Т., Гурубаран С. Количественная оценка факторов изменчивости глобальной температуры в последнее время: теоретико-информационный подход. Климатическая динамика. 2017; 49 11–12: 3877–3886.
  32. 32. Де Мишелис П., Консолини Дж., Матерасси М., Тоцци Р. Подход теории информации к взаимосвязи бури и суббури. Журнал геофизических исследований: космическая физика. 2011; 116 (А8).
  33. 33. Констебль C, Корте М.Меняется ли магнитное поле Земли на противоположное? Планета Земля. Sci. Lett. 2006; 246: 1–16.
  34. 34. Tarduno JA, Watkeys MK, Huffman TN, Cottrell RD, Blackman EG, Wendt A et al. Древность Южно-Атлантической аномалии и свидетельства нисходящего контроля над геодинамо. Nat Commun. 2015; 6: 7865. pmid: 26218786
  35. 35. Джексон А., Джонкерс АРТ, Уокер МР. Четыре века геомагнитных вековых вариаций из исторических записей. Филос. Пер. R. Soc. Лондон. А. 2000; 358 (1768): 957–990.
  36. 36. Finlay CC. Историческая вариация геомагнитного осевого диполя. Phys. Планета Земля. Интерьеры. 2008; 170: 1–14.
  37. 37. Джевреева С., Мур Дж. К., Гринстед А., Вудворт ПЛ. Недавнее ускорение глобального уровня моря началось более 200 лет назад? Geophys. Res. Lett. 2008; 35: L08715.
  38. 38. Корте М., Женеви А., Констебль К. Г., Франк У., Шнепп Э. Модели непрерывного геомагнитного поля за последние 7 тысячелетий: 1. Новый сборник глобальных данных.Геохим. Geophys. Геосист. 2005; 6: Q02h25.
  39. 39. Маршинский Р., Канц Х. Анализ информационного потока между финансовыми временными рядами: улучшенная оценка энтропии переноса. Евро. Phys. J. B. 2002; 30: 275–281.
  40. 40. Шеннон CE. Математическая теория коммуникации. Bell System Tech. J. 1948; 27: 379–423.
  41. 41. Шеннон CE, Уивер В. Математическая теория информации. Издательство Иллинойского университета, Урбана, Иллинойс. 1949 г.
  42. 42. Кульбак С., Лейблер Р.А. Об информации и достаточности. Аня. Математика. Статист. 1951; 22: 79–86.
  43. 43. Кульбак С. Теория информации и статистика. Уайли, Нью-Йорк. 1959.
  44. 44. Смирнов Д.А. Ложные причинности с переносом энтропии. Phys. Rev. E. 2013; 87 (4): 042917.
  45. 45. Джеймс Р.Г., Барнетт Н., Кратчфилд Ю.П. Информационные потоки? Критика трансферных энтропий. Phys. Rev. Lett. 2016; 116 (23): 238701.pmid: 27341264
  46. 46. Сандовал Л. мл. Структура глобальной сети финансовых компаний, основанная на трансфертной энтропии. Энтропия. 2014; 16 (8): 4443–4482.
  47. 47. Кнут Х. Оптимальный биннинг на основе данных для гистограмм. arXiv: Physics / 0605197v2 [Physics.data-an]. 2013.
  48. 48. Кнут К.Х., Готера А., Карри К.Т., Хайзер К.А., Уилер К.Р., Россов В.Б. Выявление взаимосвязей между соответствующими климатическими переменными с помощью теории информации. На конференции по технологиям системы Земля-Солнце, НАСА, Адельфи, штат Мэриленд.2005.
  49. 49. Dimpfl T, Питер FJ. Использование энтропии переноса для измерения информационных потоков между финансовыми рынками. Stud. Нелинейный Дин. E. 2013; 17 (1): 85–102.
  50. 50. Сенсой А., Собаци С., Сенсой С., Алали Ф. Эффективный подход энтропии передачи к информационному потоку между обменными курсами и фондовыми рынками. Солитон хаоса. ГРП. 2014; 68: 180–185.
  51. 51. Тайлер Дж., Юбэнк С., Лонгтин А., Галдрикиан Б., Фермер Дж. Д.. Проверка на нелинейность временных рядов: метод суррогатных данных.Physica D. 1992; 58: 77–94.
  52. 52. Кугиумцис Д. Тест суррогатных данных на нелинейность, включая немонотонные преобразования. Phys. Rev. E. 2000; 62 (1).
  53. 53. Шрайбер Т., Шмитц А. Суррогатные временные ряды. Physica D. 2000; 142: 346–382.
  54. 54. Красков А., Стогбауэр Х., Грассбергер П. Оценка взаимной информации. Phys Rev E Stat Nonlin Soft Matter Phys. 2004; 69 (6, часть 2): 066138. pmid: 15244698
  55. 55. Линднер М., Висенте Р., Приземанн В., Вибрал М.TRENTOOL: набор инструментов Matlab с открытым исходным кодом для анализа информационного потока в данных временных рядов с энтропией передачи. BMC Neurosci. 2011; 12 (119): http://www.biomedcentral.com/1471-2202/12/119.
  56. 56. Абарбанель Х.И. Анализ наблюдаемых хаотических данных. Спрингер, Нью-Йорк. 1996.
  57. 57. Канц К., Шрайбер Т .: Нелинейный анализ временных рядов. Издательство Кембриджского университета, Кембридж. 1997.
  58. 58. Рагвиц М., Канц Х. Марковские модели на основе данных с помощью простых нелинейных предикторов временных рядов в пространствах вложения с задержкой.Phys. Rev. E. 2002; 65: 056201. pmid: 12059674
  59. 59. Wibral M., et al. Измерение задержек передачи информации. PloS One. 2013; 8 (2): e55809. pmid: 23468850
  60. 60. Соуза Эчер М. П., Эчер Э., Нордеманн Д. Р., Ригозо Н. Р., Престес А. Вейвлет-анализ серии осадков столетия (1895–1994 гг.) На юге Бразилии (Пелотас, 31 ° 46’19 ”ю.ш. 52 ° 20’33” W). Клим. Изменять. 2008; 87: 489–497.
  61. 61. Rampelotto PH., Rigozo NR., Da Rosa MB., Prestes A., Фриго Э., Соуза Эчер МП., Nordemann DJR. Изменчивость осадков и температуры (1912–2008 гг.) В Санта-Мария (29 ° 41’ ю.ш., 53 ° 48 ’з.д.) и ее связь с естественными воздействиями. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2012; 77: 152–160.
  62. 62. Frigo E., Pacca IG., Pereira-Filho AJ., Rampelloto PH., Rigozo NR. Свидетельства модуляции космических лучей в записях температуры в регионе Южно-Атлантической магнитной аномалии. Аня. Geophys. 2013; 31: 1833–1841. https://doi.org/10.5194/angeo31-1833-2013.
  63. 63. Frigo E., Antonelli F., Silva DSS., Rampelloto PH., Lima PCM., Pacca IIG., Bageston JV. Влияние солнечной активности и циклов галактических космических лучей на модуляцию среднегодовой температуры в двух местах на юге Бразилии. Аня. Geophys. 2018; 36: 555–564. https://doi.org/10.5194/angeo36-555-2018.
  64. 64. Соланки С.К., Кривова Н.А., Хей Дж.Д. Изменчивость солнечной освещенности и климат. Анну. Rev. Astron. Astr. 2013; 51: 311–351. https://doi.org/10.1146 / annurev-astro-082812-141007.
  65. 65. Грефф-Леффтц М, Пайс М.А., Ле Муэль Ж.Л. Изменения гравитационного поля и рельефа поверхности, вызванные движением жидкого ядра Земли. J. Geodesy. 2004; 78: 386–392.

Control Engineering | Понимание двигателей с постоянными магнитами

Кристофер Ящолт, Yaskawa America Inc. 31 января 2017 г.

Управление скоростью двигателей переменного тока в большинстве случаев осуществляется с помощью частотно-регулируемого привода (ЧРП).Хотя многие сценарии включают использование частотно-регулируемых приводов с асинхронными двигателями с обмотками статора для создания вращающегося магнитного поля, они также могут обеспечить точное управление скоростью, используя датчики обратной связи по скорости или положению в качестве ссылки на частотно-регулируемый привод.

В некоторых ситуациях можно получить сравнительно точное регулирование скорости без использования датчиков обратной связи. Это стало возможным благодаря использованию двигателя с постоянными магнитами (PM) и процесса, называемого «методом ввода высокочастотного сигнала».

Машины индукционные

Асинхронная машина переменного тока (IM) также обычно называется двигателем переменного тока.Вращающееся поле создается обмоткой статора. Вращающееся поле индуцирует ток в стержнях ротора. Генерация тока требует разницы скоростей между ротором и магнитным полем. Взаимодействие между полем и током создает движущую силу. Таким образом, индукционные машины переменного тока являются преобладающими двигателями, управляемыми приводами с регулируемой скоростью.

Двигатели с постоянными магнитами

Двигатель с постоянными магнитами — это двигатель переменного тока, в котором используются магниты, встроенные в поверхность ротора двигателя или прикрепленные к ней.Магниты используются для создания постоянного магнитного потока двигателя вместо того, чтобы требовать, чтобы поле статора создавало его путем соединения с ротором, как в случае с асинхронным двигателем. Четвертый двигатель, известный как двигатель с постоянным запуском от сети (LSPM), объединяет характеристики обоих двигателей. Двигатель LSPM включает в себя магниты двигателя с постоянными магнитами внутри ротора и стержни ротора двигателя с короткозамкнутым ротором для максимального увеличения крутящего момента и эффективности (см. Таблицу 1).

Поток, потокосцепление и магнитный поток

Чтобы понять работу двигателей с постоянными магнитами, важно сначала понять концепции магнитного потока, потокосцепления и магнитного потока.

Flux: Поток тока через проводник создает магнитное поле. Поток определяет скорость потока собственности на единицу площади. Ток потока — это скорость протекания тока через заданную площадь поперечного сечения проводника.

Потоковая связь: Потоковая связь возникает, когда магнитное поле взаимодействует с материалом, например, когда магнитное поле проходит через катушку с проволокой. Потоковая связь определяется количеством обмоток и магнитным потоком, где ϕ используется для обозначения мгновенного значения изменяющегося во времени потока.Потоковая связь определяется следующим уравнением:

Магнитный поток: Магнитный поток определяется как скорость магнитного поля, протекающего через заданную площадь поперечного сечения проводника. Поле магнитного потока создается постоянным магнитом внутри или на поверхности двигателя с постоянными магнитами.

Индуктор: Индуктор — это элемент схемы, который состоит из проводящего провода, обычно в форме катушки. Проводник с постоянным током будет генерировать постоянное магнитное поле.Можно продемонстрировать, что магнитное поле и вызвавший его ток линейно связаны. Изменение магнитного поля вызовет в соседнем проводнике напряжение, пропорциональное скорости изменения тока, создавшего магнитное поле. Напряжение в проводнике определяется по следующему уравнению:

Индуктивность: Индуктивность (L) — это константа пропорциональности, которая определяет соотношение между напряжениями, индуцированными скоростью изменения тока во времени, создавшего магнитное поле.Проще говоря, индуктивность — это потокосцепление на единицу тока. Необходимо пояснить, что индуктивность — это пассивный элемент и чисто геометрическое свойство. Индуктивность измеряется в Генри (H) или Вебер-витках на ампер.

Ось d и ось q: С геометрической точки зрения оси «d» и «q» представляют собой однофазные представления потока, вносимого тремя отдельными синусоидальными фазовыми величинами при одинаковой угловой скорости. Ось d, также известная как прямая ось, является осью, по которой поток создается обмоткой возбуждения.Ось q или квадратурная ось — это ось, на которой создается крутящий момент. По соглашению квадратурная ось всегда будет электрически опережать прямую ось на 90 градусов. Проще говоря, ось d является основным направлением магнитного потока, а ось q — основным направлением создания крутящего момента.

Магнитная проницаемость: В электромагнетизме проницаемость — это мера способности материала поддерживать формирование магнитного поля внутри себя. Следовательно, это степень намагничивания, которую материал получает в ответ на приложенное магнитное поле.

Эквивалентная схема двигателя с постоянными магнитами: Двигатель с постоянными магнитами может быть представлен в нескольких различных моделях двигателей. Один из самых распространенных методов — модель двигателя d-q.

Индуктивность оси d и оси q двигателя с постоянными магнитами: Индуктивности оси d и оси q — это индуктивности, измеренные при прохождении потока потока через ротор по отношению к магнитному полюсу. Индуктивность по оси d — это индуктивность, измеренная при прохождении потока через магнитные полюса.Индуктивность по оси q является мерой индуктивности, когда магнитный поток проходит между магнитными полюсами.

В индукционной машине потокосцепление ротора будет одинаковым между осью d и осью q. Однако в машине с постоянным магнитом магнит уменьшает доступное железо для магнитной связи. Магнитная проницаемость близка к воздухопроницаемости. Следовательно, магнит можно рассматривать как воздушный зазор. Магнит находится на пути потока, когда он проходит через ось d. Путь потока, проходящего через ось q, не пересекает магнит.Следовательно, больше железа может быть связано с путем потока по оси q, что приводит к большей индуктивности. Двигатель со встроенным магнитом будет иметь большую индуктивность по оси q, чем индуктивность по оси d. Двигатель с магнитами для поверхностного монтажа будет иметь почти идентичные индуктивности по оси q и d, потому что магниты находятся вне ротора и не ограничивают количество железа, связанного полем статора.

Магнитная значимость: Заметность или значимость — это состояние или качество, благодаря которым что-либо выделяется по сравнению со своими соседями.Магнитная яркость описывает взаимосвязь между индуктивностью основного потока ротора (ось d) и индуктивностью, создающей основной крутящий момент (ось q). Магнитная яркость изменяется в зависимости от положения ротора по отношению к полю статора, где максимальная заметность возникает при 90 электрических градусах от оси основного потока (ось d) (см. Рисунок 1).

Ток возбуждения: Ток возбуждения — это «ток в обмотках статора, необходимый для создания магнитного потока в сердечнике ротора.«Машины с постоянными магнитами не требуют тока возбуждения в обмотке статора, потому что магниты двигателя с постоянными магнитами уже создают постоянное магнитное поле.

Вторичный ток: Вторичный ток, иначе известный как «ток, создающий крутящий момент», — это ток, необходимый для создания крутящего момента двигателя. В машине с постоянными магнитами токи, создающие крутящий момент, составляют большую часть потребляемого тока.

Потребляемый ток: В отличие от согласованного усилителя и сервопривода, предназначенного для управления движением, обычный частотно-регулируемый привод не имеет информации о положении магнитного полюса ротора двигателя.Без знания положения магнитного полюса в статоре не может быть создано поле для максимального увеличения крутящего момента. Следовательно, частотно-регулируемый привод может подавать постоянное напряжение для фиксации магнитного поля в известном положении. Потребляемый ток, необходимый для втягивания ротора, называется «ток втягивания».

Высокочастотный впрыск: Высокочастотный впрыск — это методология инвертора, используемая для определения положения магнитного полюса двигателя с постоянными магнитами. Метод начинается с того, что инвертор подает высокочастотный сигнал низкого напряжения в двигатель на произвольной оси.Затем инвертор изменяет угол возбуждения и контролирует ток.

В зависимости от угла впрыска изменяется импеданс ротора. Импеданс клеммы двигателя с внутренним постоянным магнитом (IPM) уменьшается, когда ось подачи высокочастотного сигнала и ось магнитного полюса (ось d) совмещены, то есть при 0 градусах. Максимальное сопротивление составляет ± 90 град. Используя эту характеристику, привод может определять положение ротора без импульсных энкодеров, подавая высокочастотное переменное напряжение / ток на двигатель IPM.Более того, метод подачи высокочастотного сигнала может использоваться для определения скорости в области низких скоростей, где обычно управление крутящим моментом при полной нагрузке очень затруднено, поскольку уровень напряжения обратной ЭДС двигателя слишком низкий.

Форма сигнала обратной ЭДС

Обратная ЭДС — это сокращение от обратной электродвижущей силы, но также известно как противодвижущая сила. Противодвижущая сила — это напряжение, которое возникает в электродвигателях при относительном движении между обмотками статора и магнитным полем ротора.Геометрические свойства ротора будут определять форму сигнала обратной ЭДС. Эти формы сигналов могут быть синусоидальными, трапециевидными, треугольными или чем-то средним.

Как индукционные, так и PM-машины генерируют сигналы обратной ЭДС. В индукционной машине форма волны обратной ЭДС будет затухать по мере того, как остаточное поле ротора медленно спадает из-за отсутствия поля статора. Однако в машине с постоянным магнитом ротор генерирует собственное магнитное поле. Следовательно, напряжение может индуцироваться в обмотках статора всякий раз, когда ротор находится в движении.Напряжение обратной ЭДС линейно возрастает со скоростью и является решающим фактором при определении максимальной рабочей скорости.

Общие сведения о крутящем моменте машины с постоянными магнитами

Крутящий момент электрической машины можно разделить на две составляющие: магнитный момент и момент сопротивления. Момент сопротивления — это «сила, действующая на магнитный материал, которая стремится выровняться с основным магнитным потоком, чтобы минимизировать сопротивление». Другими словами, реактивный крутящий момент — это крутящий момент, создаваемый выравниванием вала ротора относительно магнитного поля статора.Магнитный момент — это «крутящий момент, создаваемый взаимодействием магнитного поля магнита и тока в обмотке статора».

Момент сопротивления: Момент сопротивления относится к крутящему моменту, генерируемому при выравнивании ротора, который возникает, когда магнитное поле вызывает желаемый прямой поток от северного полюса статора к южному полюсу статора.

Магнитный момент: Постоянные магниты создают магнитное поле в роторе.Статор создает поле, которое взаимодействует с магнитным полем ротора. Изменение положения поля статора по отношению к полю ротора вызывает смещение ротора. Сдвиг из-за этого взаимодействия и есть магнитный момент.

SPM в сравнении с IPM

Двигатели с постоянными магнитами можно разделить на две основные категории: двигатели с поверхностными постоянными магнитами (SPM) и двигатели с внутренними постоянными магнитами (IPM) (см. Рисунок 3). Ни один из типов конструкции двигателя не содержит стержней ротора. Оба типа генерируют магнитный поток постоянными магнитами, прикрепленными к ротору или внутри него.

Двигатели

SPM имеют магниты, прикрепленные к внешней поверхности ротора. Из-за такого механического крепления их механическая прочность ниже, чем у двигателей IPM. Ослабленная механическая прочность ограничивает максимальную безопасную механическую скорость двигателя. Кроме того, эти двигатели обладают очень ограниченной магнитной яркостью (L d ≈ L q ). Значения индуктивности, измеренные на выводах ротора, одинаковы независимо от положения ротора. Из-за близкого к единице коэффициента значимости конструкции двигателей SPM в значительной степени, если не полностью, полагаются на магнитную составляющую крутящего момента для создания крутящего момента.

В двигателях

IPM постоянный магнит встроен в сам ротор. В отличие от своих собратьев SPM, расположение постоянных магнитов делает двигатели IPM очень механически прочными и пригодными для работы на очень высоких скоростях. Эти двигатели также отличаются относительно высоким коэффициентом магнитной яркости (L q > L d ). Из-за своей магнитной заметности двигатель IPM может создавать крутящий момент, используя как магнитные, так и реактивные компоненты крутящего момента двигателя (см. Рисунок 4).

Конструкции двигателей ПМ

Моторные конструкции

PM можно разделить на две категории: внутренние и поверхностные. У каждой категории есть свое подмножество категорий. Поверхностный двигатель с постоянными магнитами может иметь свои магниты на поверхности ротора или вставляться в него, чтобы повысить надежность конструкции. Расположение и дизайн внутреннего двигателя с постоянными магнитами могут сильно различаться. Магниты двигателя IPM могут быть вставлены в виде большого блока или смещены по мере приближения к сердечнику. Другой метод — вставить их в узор из спиц.

Изменение индуктивности двигателя с постоянными магнитами под нагрузкой

Только такое количество магнитного потока может быть связано с куском железа для создания крутящего момента. В конце концов, железо насыщается и больше не позволяет флюсу связываться. В результате уменьшается индуктивность пути, проходимого магнитным полем. В машине с постоянным магнитом значения индуктивности по оси d и q будут уменьшаться с увеличением тока нагрузки.

Индуктивности оси d и q двигателя SPM практически идентичны. Поскольку магнит находится вне ротора, индуктивность оси q будет падать с той же скоростью, что и индуктивность оси d.Однако индуктивность двигателя IPM будет уменьшаться иначе. Опять же, индуктивность по оси d, естественно, ниже, потому что магнит находится на пути потока и не создает индуктивных свойств. Следовательно, по оси d меньше железа для насыщения, что приводит к значительно меньшему снижению магнитного потока по отношению к оси q.

Ослабление / усиление потока двигателей с постоянными магнитами

Поток в двигателе с постоянными магнитами создается магнитами. Поле потока следует определенному пути, который можно усилить или противодействовать.Повышение или усиление магнитного поля позволит двигателю временно увеличить производство крутящего момента. Противодействие полю магнитного потока устранит существующее магнитное поле двигателя. Уменьшение магнитного поля ограничит производство крутящего момента, но снизит напряжение обратной ЭДС. Пониженное напряжение обратной ЭДС высвобождает напряжение, заставляя двигатель работать с более высокими выходными скоростями. Оба типа работы требуют дополнительного тока двигателя. Направление тока двигателя поперек оси d, обеспечиваемое контроллером двигателя, определяет желаемый эффект.

Угол возбуждения

Угол возбуждения — это угол, под которым векторная сумма сигналов оси d и оси q возбуждается в двигателе относительно оси d. Ось d всегда рассматривается там, где находится магнит. Максимальный магнитный поток достигается на оси q, которая составляет 90 электрических градусов от оси d. Таким образом, большинство ссылок на угол возбуждения уже учитывают разницу в 90 градусов от оси d до оси q.

Фазовый угол и крутящий момент

Магнитный момент максимален, когда поле статора возбуждает ротор двигателя на 90 электрических градусов от оси d (положение магнита двигателя).Крутящий момент сопротивления движется по другому пути и достигает максимума на 45 электрических градусов за осью q. Максимальный магнитный крутящий момент использует как магнитное сопротивление двигателя, так и магнитные моменты. Смещение дальше от оси q уменьшает магнитный момент, но намного перевешивается увеличением реактивного момента. Максимальный комбинированный магнитный и реактивный крутящий момент возникает около 45 электрических градусов от оси q, но точный угол будет варьироваться в зависимости от характеристик двигателя с постоянными магнитами.

Удельная мощность двигателя IPM

Мощность двигателя с постоянными магнитами зависит от конфигурации магнитов двигателя и получаемой мощности двигателя.Двигатели с высоким коэффициентом резкости (Lq> Ld) могут повысить эффективность двигателя и выработку крутящего момента за счет включения реактивного крутящего момента двигателя. Инвертор можно использовать для изменения угла возбуждения относительно оси d, чтобы максимизировать как реактивный момент, так и магнитный момент двигателя.

Типы магнитов двигателя с постоянными магнитами

В настоящее время для электродвигателей используется несколько типов материалов с постоянными магнитами. У каждого вида металла есть свои достоинства и недостатки.

Размагничивание постоянного магнита

Постоянные магниты трудно назвать постоянными, и их возможности ограничены. На эти материалы могут действовать определенные силы, размагничивающие их. Другими словами, можно удалить магнитные свойства материала постоянного магнита. Вещество с постоянным магнитом может размагнититься, если материал значительно деформируется, нагревается до значительных температур или подвергается воздействию сильного электрического возмущения.

Во-первых, напряжение постоянного магнита обычно осуществляется физическими средствами. Магнитный материал может размагнититься, если не ослабнет, если он подвергнется сильным ударам / падению. Ферромагнитный материал обладает магнитными свойствами. Однако эти магнитные свойства могут излучать в любом множестве направлений. Один из способов намагничивания ферромагнитных материалов — это приложение к материалу сильного магнитного поля для выравнивания его магнитных диполей. Выравнивание этих диполей направляет магнитное поле материала в определенную ванну.Сильный удар может удалить атомное выравнивание магнитных доменов материала, что ослабит силу предполагаемого магнитного поля.

Во-вторых, на постоянный магнит могут влиять и температуры. Температуры заставляют магнитные частицы в постоянном магните взволноваться. Магнитные диполи обладают способностью выдерживать некоторое тепловое колебание. Однако длительные периоды перемешивания могут ослабить силу магнита, даже если он хранится при комнатной температуре. Кроме того, все магнитные материалы имеют порог, известный как «температура Кюри», который определяет температуру, при которой тепловое перемешивание вызывает полное размагничивание материала.Такие термины, как коэрцитивная сила и удерживающая способность, используются для определения способности магнитного материала сохранять прочность.

Наконец, большие электрические помехи могут вызвать размагничивание постоянного магнита. Эти электрические помехи могут быть вызваны взаимодействием материала с большим магнитным полем или пропусканием через материал большого тока. Примерно так же, как сильное магнитное поле или ток можно использовать для выравнивания магнитных диполей материала, другое сильное магнитное поле или ток, приложенный к полю, создаваемому постоянным магнитом, может привести к размагничиванию.

Самоопределение в сравнении с режимом замкнутого контура

Последние достижения в области приводной техники позволяют стандартным приводам переменного тока «самообнаруживать» и отслеживать положение магнита двигателя. Система с обратной связью обычно использует канал z-импульса для оптимизации производительности. Посредством определенных процедур привод знает точное положение магнита двигателя, отслеживая каналы A / B и исправляя ошибки с помощью канала z. Знание точного положения магнита позволяет добиться оптимального крутящего момента, что приводит к оптимальной эффективности.

Серводвигатели

Серводвигатели

— это двигатели с постоянными магнитами, используемые для управления движением. Как правило, в конструкции двигателя с внутренним / внутренним постоянным магнитом эти двигатели соединяются с конкретным усилителем как часть согласованного набора для достижения максимальной производительности. Усилитель был точно настроен на двигатель с постоянными магнитами для достижения оптимальных характеристик его производителем. Конфигурация усилителя движения / сервопривода обычно использует обратную связь двигателя, которая также обеспечивает обратную связь по положению магнитного полюса и скорости.

Кристофер Ящолт — специалист по управлению приводной продукцией в Yaskawa America Inc. Он имеет более девяти лет опыта в области управления движением. Помимо своей нынешней должности, Ящолт работал инженером технической поддержки и инженером по приложениям. Он получил степень бакалавра в области естественной окружающей среды Университета Северного Иллинойса, ДеКалб, Иллинойс,

Эта статья появляется в приложении Applied Automation для Control Engineering
и Plant Engineering.

ДЕЙСТВИЙ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕМЕННЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА СЕМЕНАХ РАСТЕНИЙ

ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕМЕННЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НАД УСТАНОВКОЙ СЕМЕНА

И.И. НАГИ, Р. ГЕОРДЖЕСКУ, Л. БИЛЕЧАНУ, С. GERMENE

Медицинский факультет, Университет Виктора Бабеша, 14 A, ул. Тудор Владимиреску, Тимишоара, Румыния

Аннотация. Несколько лет назад терапия магнитными полями превратилась в постоянную практику. в современной восстановительной медицине. Целью нашего исследования было определить, те же типы магнитных полей, которые используются в медицине, могут увеличивать скорость метаболизма в прорастающих семенах растений.Машина, использованная для этого исследования, была устройство Vita-life eMRS с компьютерным управлением и универсальным программированием система. Импульсные переменные магнитные поля при правильном применении имеют очень высокий стимулирующий эффект на размножение, рост и развитие клеток. Также, стимулировалось рост плесени. Стимуляция роста плесени и ускорение развития растений может быть использовано в промышленных целях, продукция фармацевтики и сельского хозяйства.

Ключевые слова: магнитные поля, семена растений, стимулирующий эффект, размножение клеток.

ВВЕДЕНИЕ

Терапия с магнитными полями превратился из малоизвестной техники несколько лет назад в постоянная практика в современной восстановительной медицине. Известные эффекты — это рост местное кровообращение, анальгетик и компенсация вегетативной нервной системы. система [2, 4, 5]. Целью нашего исследования было определить, есть ли у одних и тех же типов магнитные поля, используемые в медицине, могут увеличивать метаболизм. скорость прорастания семян растений.Подобные эксперименты не упоминаются в специальную литературу или результаты по этой теме очень трудно найти. Этот было основной мотивацией для нашего собственного исследования магнитных полей.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Поддерживать точность в исследовании, человеческое медицинское устройство использовалось для магнитного поля поколение. Машина представляла собой управляемое компьютером устройство Vita-life eMRS с универсальная система программирования. Наличие магнитного поля было проверено. с катушкой, подключенной к цифровому мультиметру с компьютерным интерфейсом.В был установлен мультиметр для измерения электрического напряжения (Вольт). Цифровой термометр с компьютерным интерфейсом использовался для контроля температуры в помещении, а показания записывались для дальнейшего контроля. Целью было не иметь серьезных колебания температуры в экспериментальной комнате. Обычный ритм был уважаемый, и гигрометр для влажности в помещении также контролировался. Среднее относительная влажность в экспериментальной комнате 60%. Были проведены два эксперимента. на семенах пшеницы и подсолнечника.

ЭКСПЕРИМЕНТ 1

Восемь Петри посуда с ватными дисками использовалась в качестве ростков. Чашки Петри были стерилизовать при 180 С, ватные диски тоже. Семена пшеницы (800 шт.) Прошли промывают стерилизующими жидкостями при комнатной температуре (240 С). После этих процедуры одинаковая температура поддерживалась в течение всего времени изучение. 100 семян были помещены в каждую чашку Петри и на каждый ватный диск. (по одному в каждую чашку Петри) добавляли 5 мл воды.После того, как вода была добавлена, все Чашки Петри оставлены на 24 часа. Чашки Петри были разделены на две части. экспериментальные группы, каждая группа состояла из четырех чашек Петри. От каждого Группа 1 чашка Петри была выбрана в качестве контроля. Мы отметили чашки Петри как следует: в первой группе контрольная с М1, а в остальных чашках с Р1, P2 и P3. Во второй группе контроль был отмечен M2, а другой посуда с P12, P22, P32. В обеих группах контрольные чашки не экспонировались. магнитным полям.Частота импульсного магнитного поля, используемого для Экспозиция с Vita-life eMRS варьируется от 0,01 до 20000 Гц. В На чашки Петри P1, P2 и P3 воздействовали постоянным магнитным полем. 400 eT. P1 подвергался воздействию 8 минут, P2 16 минут и P3 24 минуты [3]. Для во второй опытной группе напряженность магнитного поля была разной. для каждой чашки, но время выдержки постоянно составляло 8 минут. P12 был открыт до 100 T, P22 до 200 TT и P32 до 400 TT.Форма волны имела треугольную форму, зубчатую. Воздействие дополнительных магнитное поле над земным было сингулярным [7]. Через 5 дней мы сравнили форму семян пшеницы во всех 8 чашках Петри. Средняя масса измеряли длину молодых растений.

ЭКСПЕРИМЕНТ 2

Четыре Петри посуда с ватными дисками использовалась в качестве ростков. Чашки Петри были стерилизовать при 180 ° C, ватные диски тоже. Семечки подсолнечника (200 шт.) имеют промывали стерилизующими жидкостями при комнатной температуре (24 ° C). После этих процедуры одинаковая температура поддерживалась в течение всего времени изучение. В каждую чашку Петри и на каждый ватный диск помещено по 50 семян. (по одному в каждую чашку Петри) добавлено 4 мл дистиллированной воды. Один Петри блюдо использовалось в качестве контроля, а остальные подвергались воздействию магнитных полей. Одна чашка Петри экспонировалась 24 минуты, вторая — 48 минут, а третье блюдо за 72 минуты.Выбранные параметры магнитного поля: интенсивность 400 Тл при переменной частоте в интервале от 0,01 до 20000 Гц. Форма волны имела треугольную форму пилы. зуб нравится. Воздействие дополнительного магнитного поля над земным один был необычным. Через 12 дней мы сравнили форму семян подсолнечника в все четыре чашки Петри. Результаты и обсуждения

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

ЭКСПЕРИМЕНТ 1

Через 5 дней семена пшеницы проросли во всех восьми чашках Петри, но в первую зрением мы могли наблюдать существенные различия [6].В контрольной тарелке большая часть семена проросли, но длина молодых растений была макс. 0,5 см. В P1 мы смогли измерить удивительную среднюю длину 3 см. P2 имеет всего 0,5 см, и P3 0,7 см. Мы отметим стандартное отклонение с этого момента с S. Slenght через 5 дней = 1,21.

Рис. 1. Сравнение длины растений.

Начальный массы семян были следующие: в M1 10,07 г, в P1 11,2 г, в P2 9,17 г, а в P3 у нас было 9.6 г. Через 5 дней масса была: в M1 92 г, в P1 102 г, в P2 96 г и в P3 98 г. Sinitial (стандартное отклонение) = 0,93; Через 5 дней = 4,16.

Рис. 2. Масса растения через 5 дней в граммах.

В посуде P1, P2 и P3 мы могли наблюдать также рост плесени. В M1 не было плесени. наблюдается без оптических приборов.

Через 5 дней в M2 существенных отличий от M1 не наблюдается. В P12 длина растений было 2.8 см, в P22 3,35 см и в P32 2,99 см. Через 5 дней = 12.22.

Рис. 3. Длина растения через 5 дней в мм.

Масса в М2 составило 102,7 г, в P12 107,6 г, в P22 127,5 г и в P32 118,5 г. Через 5 дней = 11.12.

Рис. 4. Средняя масса растений через 5 дней.

То же Наблюдалось также наблюдение о росте плесени. На M2 не было плесени, но в Можно было наблюдать плесень P12, P22 и P32.

Рис.5. Контрольная чашка Петри.

Рис. 6. Чашка Петри P1 в день 3.

ЭКСПЕРИМЕНТ 2

Через 12 дней семена подсолнечника проросли во всех 4 чашках Петри, но в первую Зрение мы могли наблюдать существенные различия. В контрольной тарелке большая часть семена проросли, но длина молодых растений была макс. 1,5 см. В Во втором блюде мы не смогли обнаружить значительных статистических изменений. в третье блюдо средняя длина молодых растений была 3 см, в 2 раза больше, чем в контрольной.В четвертом блюде разница была разительной: все семена проросли, и средняя длина молодых растений была более 5 см. Через 12 дней = 14,36

Рис. 7. Слева контрольная тарелка, справа четвертое блюдо.

Рис. 8. Слева семена из контрольной чашки, по правильные семена из четвертого блюда.

Рис. 9. Длина растений через 12 дней.

ДИСКУССИИ С РЕЗУЛЬТАТАМИ ДРУГИХ ИССЛЕДОВАТЕЛЕЙ

В изученных В литературе другие исследователи также подвергали семена растений воздействию магнитных полей.Основное отличие нашего исследования от изученных статей заключается в том, что время воздействия: мы подвергли семена однократной вспышке за относительно короткий промежуток времени. В течение определенного периода времени к семенам растений не добавлялись никакие другие виды стресса. Некоторый исследователи также добавили температурный стресс в 45 градусов по Цельсию, и более длительное время воздействия магнитных полей. Наш опыт показывает, что дольше воздействие не принесет значительных результатов или может повредить семена всхожесть [6].Интенсивность используемого магнитного поля составляет сравнимо с другими исследованиями, но магнитное поле, которое мы использовали, нестабильна по частоте, это колеблющееся импульсное магнитное поле. Используемый Семена растений в нашем опыте используются и других авторов [1].

ВЫВОДЫ.

Импульсный переменные магнитные поля при правильном применении обладают очень сильным стимулирующим действием. влияние на размножение, рост и развитие клеток [8]. Скорость метаболизма была ускорена в экспонированных семенах по сравнению с необработанными, факт доказано большой разницей, достигнутой в процессе созревания.Экспозиция время 8 минут продемонстрировало наиболее благотворное влияние. Более длительные периоды имеют доказано, что отменяет стимулирующие эффекты. Напряженность магнитного поля 200 .T добился лучших результатов в росте растений, а также в росте массы. выращивание молодых растений. Также стимулировалось рост плесени. В может использоваться стимуляция роста плесени и ускорение развития растений для промышленных целей, производства фармацевтики и сельского хозяйства.

Благодарности. Эта статья была поддержана Виктором Бабешем. Университет медицины и фармацевтики, ул. Тудора Владимиреску, 14 А, Тимишоара, румыния.

ССЫЛКИ

1. С. ЭЛЛИНГСРУД, А. ДЖОНСОН, Возмущения растений. листовые ритмы, вызванные электромагнитным радиочастотным излучением, Биоэлектромагнетизм, 1993, 14, 257271.

2. Г. ХЕЙСИ, Транскраниальная магнитная стимуляция в лечение расстройства настроения, кан.J. Психиатрия, 2001, 46, 720-727. Рассмотрение.

3. ДЖОНС, Д. Б., Г. П. БОЛВЕЛЛ, Г.Дж. ГИЛЛИАТТ, Усиление импульсным электромагнитным полем регулятора роста растений индуцированная фенилаланин-аммиак-лиаза во время дифференцировки в суспензии культивируемые растительные клетки., J. of Bioelctr. 1986, 5, 1-12.

4. МАРТИН, Л.Дж., С.А. КОРЕН, М.А. ПЕРСИНГЕР, Влияние сложное приложение магнитного поля у крыс при тепловом ноцицептивном пороги: важность полярности и времени,

Внутр.J. Neurosci., 2004, 114,1259-76.

5. МАСАФУМИ, М., Н. МАСАО, Т. ВАТАРУ, Эффект переменное магнитное поле на росте первичного корня кукурузы, IEEE T. Magn., 1992, 28, 198204.

6. РУЗИК Р., ДЖЕРМАН И., Слабое магнитное поле уменьшается. тепловой стресс у проростков кресс-салата. Электромагнитная биология и медицина, 2002, 21, 43-53.

7. ВОЛДАНСКА, М., М. КАРАСЕК, Я. ЧЕРНИЦКИ, Влияние хронического воздействия низкочастотных пульсирующих магнитных полей на мужчин со спиной боль, Neuro.Эндокринол. Lett., 2004, 25, 201206.

8. ЙОКАТАНИ К.Т., Х. ХАСИМОТО, М. ЯНАГИСАВА, Т. НАКАМУРА, К. ХАСЕГАВА, М. ЯМАШИТА, Выращивание сеянцев Авены под низким магнитное поле, Биол. Sci. Космос, 2001, 15, 258-259.

??

??

??

??

134

И.И. Надь, Р. Георгеску, Л.Бэлэчану, С. Гермен

139

Воздействие импульсных переменных магнитных полей на растения семена

Поступило в июле 2005;

в финале с октября 2005 г.

ROMANIAN J. BIOPHYS., Vol. 15, №14, стр. 133139, БУХАРЕСТ, 2005

О возмущениях операторов Дирака переменным магнитным полем…

ЖУРНАЛ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ТОМ 45, НОМЕР 11 НОЯБРЯ 2004 О возмущениях операторов Дирака с переменным магнитным полем постоянного направления Серж Ричард а) и Рафаэль Tiedra de Aldecoa b) Département de Physique Théorique, Université de Genève, 24, набережная E.Ansermet, 1211 Genève 4, Швейцария (получено 5 мая 2004 г.; принято 26 июня 2004 г.; опубликовано 25 октября 2004 г.). Мы проводим спектральный анализ матричных возмущений трехмерных операторов Дирака с переменным магнитным полем из постоянного направления.При подходящих предположениях о магнитном поле и возмущениях мы получаем принцип предельного поглощения, доказываем отсутствие сингулярного непрерывного спектра в некоторых интервалы и свойства состояния точечного спектра. Рассмотрены различные ситуации, например, когда магнитное поле является постоянным, периодическим или расходящимся на бесконечности.Важность оператора внутреннего типа (двумерного оператора Дирака ) также раскрывается в нашем исследовании. Профи полагаются на методы коммутатора. © 2004 Американский Институт физики. [DOI: 10.1063 / 1.1792933] I. ВВЕДЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ Мы рассматриваем релятивистскую частицу со спином 1 2, эволюционирующую в R3 в присутствии переменной магнитного поле постоянного направления.На основании уравнений Максвелла мы можем предположить без потери общности, что магнитное поле имеет вид B x 1, x 2, x 3 = 0,0, Bx 1, x 2. Таким образом, невозмущенная система описывается в гильбертовом пространстве L 2 R 3; C 4 оператором Дирака H 0: = 1 1 + 2 2 + 3 P 3 + m, где 0, 1 , 2, 3 — обычные матрицы Дирака – Паули, m — строго положительная масса частицы, а j: = — ij −aj — генераторы магнитные трансляции с векторным потенциалом ax 1, x 2, x 3 = a 1 x 1, x 2, a 2 x 1, x 2, 0, что удовлетворяет B = 1 a 2 — 2 a 1.Поскольку a 3 = 0, мы написали P 3: = — i 3 вместо вместо 3. В этой статье мы изучаем устойчивость определенных частей спектра элемента H 0 относительно матричных возмущений V. Точнее, если V удовлетворяет некоторым естественным гипотезам, мы докажем отсутствие сингулярного непрерывного спектра и конечность точечного спектра элемента H: = H 0 + V в интервалах из R, соответствующих пробелам в симметризованном спектре из оператора H 0: = 1 1 + 2 2 + 3 m в L 2 R 2 ; С 2 0.Матрицы j являются матрицами Паули, а симметризованный спектр sym H 0 представляет собой объединение спектров H 0 и −H 0. Мы подчеркиваем, что наш анализ не требует каких-либо ограничений на поведение магнитного поля на бесконечности. Тем не менее, актуальность нашей работы зависит от определенного свойства оператора внутреннего типа H 0; а именно, размер и 0 из пробелов в симв.Сошлемся на ссылки. 2, 7, 10, 12 и 16 для различных результатов по спектру H 0, особенно в ситуациях физического интереса, например, когда B является постоянным, периодические или расходящиеся на бесконечности. Технически эта работа опирается на коммутаторные методы, начатые Мурром 14 и широко развитые в [4]. 1. Для краткости мы будем постоянно ссылаться на последнюю ссылку для обозначений и определений. Наш выбор из сопряженного оператора позволяет нам обращаться с операторами Дирака с общим а) Электронная почта: richard @ kalymnos .

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *