2. Широкое применение в практической жизни и в промышленности находят реле, использующие также свойства магнитных полей

Реле — электромагнитный аппарат (переключатель), предназначенный для коммутации электрических цепей (скачкообразного изменения выходных величин) при заданных изменениях электрических или не электрических входных величин. Реле широко используется в различных автоматических устройствах.

Работа электромагнитных реле основана на использовании электромагнитных сил, возникающих в металлическом сердечнике при прохождении тока по виткам его катушки. В конструкцию реле входят: электромагнит, якорь и переключатель (рис.16).

Рис. 16. Конструктивное исполнение реле

Электромагнит представляет собой электрический провод, намотанный на катушку с сердечником из магнитного материала. Якорь — пластина из магнитного материала, через толкатель управляющая контактами.

В исходном положении якорь удерживается пружиной. При пропускании электрического тока через обмотку электромагнита возникающее магнитное поле притягивает к сердечнику якорь, преодолевая усилие пружины, который через толкатель смещает и тем самым переключает контакты (замыкает или размыкает контакты в зависимости от конструкции реле). После отключения управляющего напряжения пружина возвращает якорь в исходное положение. Переключатели могут быть замыкающими, размыкающими, переключающими.

3. Для специальных целей строят электромагниты и других типов.

Врачи, например, применяют электромагниты для удаления из глаза случайно попавших в него железных опилок.

Для обжатия тонкостенных металлических труб с образованием резьбы, изготовления многогранных торцевых ключей из цилиндрических заготовок, соединения деталей напресовкой используются магнитоимпульсные установки для пластической деформации металлов и их сплавов непосредственно в установке.

Для транспортировки жидких металлов используются кондукционные насосы, которые предназначены для перекачивания проводящей жидкости под действием силы, возникающей при взаимодействии магнитного поля насоса и электрическим током, проходящим через находящуюся в насосе проводящую жидкость.

Магнитные поля используются в большом адронном коллайдере (англ. Large Hadron Collider, LHC; сокр. БАК) — ускорителе заряженных частиц на встречных пучках, предназначенном для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы (рис.16). БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. Большим назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; адронным — из-за того, что он ускоряет адроны, то есть частицы, состоящие из кварков; коллайдером (англ. collide — сталкиваться) — из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения

На глубине 100 метров по кольцу диаметром примерно 27 километров заряженные частицы будут разгоняться почти до скорости света. Будет воссоздана модель Большого взрыва, благодаря которому и появилась наша вселенная. Протонам предстоит столкнуться с невиданной доселе энергией – 14 терраэлектронвольт – в миллион раз больше, чем при единичном термоядерном синтезе. Сталкиваясь, они образуют миллионы осколков, которые и предстоит исследовать.

Рис. 17. Размещение адронного коллайдера на карте

С помощью БАК ученые надеются значительно продвинуться в понимании, откуда появилась материя и время. В большом андронном коллайдере физики хотят поймать бозон Хиггса, именуемый также «частицей Бога». На теоретическом обосновании ее существования строятся все современные теории происхождения вселенной. Если «частицу Бога» не найдут, все аккуратно выведенные физиками законы окажутся всего лишь неверными гипотезами.

Принцип работы большого андронного коллайдера состоит в следующем. Два луча субатомных частиц (андроны) будут двигаться навстречу друг другу, набирая с каждым кругом всё больше энергии. При этом для удержания и коррекции частиц используются 1624 сверхпроводящих магнита, которые работают при температуре -271 °C . Когда энергии будет достаточно, частицы столкнутся тем самым учёные создадут модель Большого взрыва. Появившиеся после взрыва частицы будут проанализированы учеными со всего мира. На рис. 18,19 показано конструктивное исполнение электромагнитов, которые используются для удержания частиц на заданной траектории.

 

Рис. 18. Фотография конструктивного исполнения сверхпроводящих магнита снаружи	Рис. 19. Фотография конструктивного исполнения сверхпроводящих магнита внутри

Эксперимент 3. Изучение посредством моделирования основных понятий, связанных полями, возникающими при движении жидкостей и газов.

Тысячи лет люди наблюдают вечно изменчивое течение воды, газа (дыма) и пытаются разгадать их тайну. Первоклассные физики и математики ломали и продолжают ломать головы, стараясь понять природу и прихотливое поведение потоков воды и газа. Но вступив в XXI век, мы с сожалением должны констатировать, что в вопросах гидродинамики в случае жидкости и аэродинамики в случае газа мы относительно немного продвинулись в понимании природы этих вечно меняющихся течений.

Современному человеку для понимания в деталях характера процессов, происходящих в природе, для планирования жизни надо знать, как распространяются воздушные потоки, как протекает жидкость, как происходит осаждение пыли, очистка газов и пр. Большинство стандартных методов исследования жидкостных или газовых потоков основано на моделировании полей. Поэтому в настоящее время представляет значительный интерес изучение и моделирование скалярных и векторных полей, имеющих место в потоке жидкости или газа. При этом необходима визуализация распределения жидкости и газа, которая позволяет лучше представить, что происходит.

Исследование полей, возникающих в жидкостях и газах, представляет также огромный интерес для промышленности, в частности для химической технологии, так как подавляющее число процессов в химической промышленности основано на течении жидкофазной или газофазной смеси реагентов через различные среды.

Понимание структуры полей жидкостей и газов важно при создании технических средств пожаротушения для того, чтобы создавать наилучшие способы подачи огнетушащего вещества (воды или водяных растворов поверхностно активных веществ) в очаг пожара, на охлаждаемую поверхность или в защищаемую зону, чтобы создавать водяные завесы, полученные путем использования специального противопожарного оборудования.

Как известно, ключевыми параметрами для описания течения жидкостей и газов в среде являются величины скоростей потока. Опыты, демонстрируемые Вам в школе, показывают, что могут быть разные картины движения жидкости. При низких скоростях наблюдается спокойное, слоистое течение, которое называется ламинарным. При больших скоростях течение становится хаотическим, частицы и отдельные области жидкости движутся беспорядочно, закручиваясь в вихри; такое течение называется турбулентным. Переход от ламинарного течения к турбулентному и обратно осуществляется при определенной скорости жидкости и зависит также от вязкости и плотности жидкости и характерного размера обтекаемого жидкостью тела.

Посмотрим, как происходит переход ламинарного потока в турбулентный. Откроем кран и пустим воду сначала тоненькой струйкой, а потом все сильнее и сильнее. Тоненькая струйка движется плавно и спокойно. По мере того, как увеличивается напор воды, скорость струи растет, и, начиная с некоторого момента, вода в ней начинает закручиваться - возникают вихри. Появляясь сначала только в ограниченной области струи, с ростом напора вихри в конце концов охватывают все течение - оно становится турбулентным.

Рис. 20. Фотография турбулентной струи воды, образующейся в кране

Оценить скорость течения жидкости или газа, при которой возникает турбулентность, можно при помощи так называемого числа Рейнольдса Re = ρvl/μ, где ρ - плотность жидкости или газа, μ - их вязкость (вязкость воздуха, например, 18,5.10^-6 Па.с; воды - 8,2.10^-2 Па.с), v - скорость потока, l - характерный линейный размер (диаметр трубы, длина обтекаемого тела и пр.). Для каждого вида течений существует такая критическая величина Re_кр, что при Re<Re_кр возможно только ламинарное течение, а при Re>Re_кр оно может стать турбулентым.

Если в массе движущейся жидкости взять какую-либо частицу жидкости и проследить ее путь за какой-то промежуток времени   (конечный, достаточно большой), то можно получить некоторую линию, выражающую геометрическое место этой точки в пространстве за время.

Если в массе движущейся жидкости в данный момент времени t взять какую-либо точку (рис. 12), то можно в этой точке построить векторы скорости, выражающие мгновенную величину и направление скорости движения частицы жидкости в данной точке в этот момент времени.

Установившимся стационарным движением жидкости называется такое движение, при котором в каждой данной точке основные элементы движения жидкости – скорость движения и гидродинамическое давление р не изменяются с течением времени, т.е. зависят только от координат точки.

Неустановившимся (нестационарным) движением жидкости называется такое движение, при котором в каждой данной точке основные элементы движения жидкости – скорость движения и гидродинамическое давление р – постоянно изменяются, то есть зависят не только от положения точки в пространстве, но и от времени.

Примером установившегося движения может быть: движение жидкости в канале, в реке при неизменных глубинах, истечение жидкости из резервуара при постоянном уровне жидкости в нем и др. Неустановившееся движение – это движение жидкости в канале или реке при переменном уровне или при опорожнении резервуара, когда уровень жидкости в нем непрерывно изменяется.

Установившееся  движение в свою очередь подразделяется на равномерное и неравномерное.

Равномерным называется такое установившееся движение, при котором живые сечения вдоль потока не изменяются. В этом случае средние скорости по длине потока также не изменяются. Примером равномерного движения является: движение жидкости в цилиндрической трубе, в канале постоянного сечения при одинаковых глубинах.

Установившееся движение называется неравномерным, когда распределение скоростей в различных поперечных сечениях неодинаково; при этом средняя скорость и площадь поперечного сечения потока могут быть и постоянными вдоль потока. Примером неравномерного движения может быть движение жидкости в конической трубе или в речном русле переменной ширины.

Напорным называется движение жидкости, при котором поток полностью заключен в твердые стенки и не имеет свободной поверхности. Напорное движение происходит вследствие разности давлений и под действием силы тяжести. Примером напорного движения является движение жидкости в замкнутых трубопроводах (например, в водопроводных трубах).

Безнапорным называется движение жидкости, при котором поток имеет свободную поверхность. Примером безнапорного движения может быть: движение жидкости в реках, каналах, канализационных и дренажных трубах. Безнапорное движение происходит под действием силы тяжести и за счет начальной скорости. Обычно на поверхности безнапорного потока давление атмосферное. Следует отметить еще один вид движения: свободную струю. Свободной струей называется поток, не ограниченный твердыми стенками. Примером может служить движение жидкости из пожарного брандспойта, гидромонитора, водопроводного крана, из отверстия резервуара и т. п. В этом случае движение жидкости происходит по инерции (т. е. за счет начальной скорости) и под действием силы тяжести.

Введите в командное окно MATLAB Програму 9.

Изучите, какой вид будут иметь картина поля потока воды. Обратите внимание, что для визуализации потоков и жидкостных струй используются маленькие конусы. Вы вероятнее всего еще в детстве по наитию исследовали течение ручейков, пуская по ним маленькие кораблики. Конусы – это нечто подобное при компьютерном моделировании.

На полученном изображении в движущейся жидкости можно взять некоторые точки, в которых также можно построить векторы скоростей, выражающие скорость движения частиц жидкости в один тот же момент. Скорость, направление и отображают конусы. Можно, используя конусы провести через них плавную кривую, к которой векторы скоростей будут всюду касательны. Эта линия и называется линией тока.

Таким образом, линией тока называется линия, проведенная через ряд точек в движущейся жидкости так, что в данный момент времени векторы скорости частиц жидкости, находящихся в этих точках, направлены по касательной к этой линии. В отличие от траектории, которая показывает путь движения одной частицы жидкости за определенный промежуток времени, линия тока соединяет разные частицы и дает некоторую мгновенную характеристику движущейся жидкости в момент времени t. Через заданную точку в данный момент времени можно провести только одну линию тока.

Если в данных точках движущейся жидкости величина и направление скорости и гидродинамическое давление с течением времени не изменяются (такое движение называется установившимся), то и линия тока, и траектория частицы, оказавшейся на ней, совпадают и со временем не изменяются. В этом случае траектории частиц являются и линиями тока.

На основании анализа изображений, получаемых путем визуализации структуры поля скоростей в потоке жидкости, сделайте выводы о следующем.

Имеет ли поле скоростей в потоке жидкости стоки и истоки?

Имеются в картине турбулентность, свидетельствующая о наличии вихрей в потоке жидкости. Сформулируйте, является ли исследуемое поле скоростей в потоке жидкости потенциальным или соленоидальным.

Введите в командное окно MATLAB Програму 10.

Изучите, какой вид будут иметь картина визуального представления струи в пространстве.

Если в движущейся жидкости выделить весьма малую элементарную площадку, перпендикулярную направлению течения, и по контуру ее провести линии тока, то полученная поверхность называется трубкой тока, а совокупность линий тока, проходящих сплошь через площадку, образует так называемую элементарную струйку (рис.20).

Рис. 20. Фотография элементарной струйки

Элементарная струйка характеризует состояние движения жидкости в данный момент времени t. При установившемся движении элементарная струйка имеет следующие свойства:

1. форма  и положение элементарной струйки с течением времени остаются неизменными, так как не изменяются линии тока;

2. приток жидкости в элементарную струйку и отток из нее через боковую поверхность невозможен, так как по контуру элементарной струйки скорости направлены по касательной;

3. скорость и гидродинамическое давление во всех точках поперечного лечения элементарной струйки можно считать одинаковым ввиду малости площади.

Совокупность элементарных струек движущейся жидкости, проходящих через площадку   достаточно   больших   размеров, называется потоком жидкости.

Введите в командное окно MATLAB Програму 11.

Изучите, какой вид будут иметь картина визуального представления совокупности элементарных струек движущейся жидкости в пространстве.

11

Введите в командное окно MATLAB Програму 12.

Изучите, какой вид будут иметь совместная картина визуального представления совокупности элементарных струек и потоков движущейся жидкости с помощью конусов в пространстве.

Введите в командное окно MATLAB програму 13.

Изучите, какой вид будут иметь совместная картина визуального представления развития такого сложного явления как развитие атмосферных вихрей (типа смерча) в пространстве.

Сложные атмосферные явления, такие, как вихри, торнадо и смерчи нередко поднимают не только пыль с земли, но и различные предметы – от камней до автомобилей и деревянных домов.

Введите в командное окно MATLAB програму 14.

Изучите, какой вид будут иметь картина визуального представления развития смерча в ограниченном пространстве.