CC BY
3
Заднепровский Р.П., д.т.н.
НИИ инновационных технологий Россия, г. Волгоград
О НЕКОТОРЫХ ОСОБЕННОСТЯХ ПРИМЕНЕНИЯ МАГНИТНЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ДЛЯ КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННОСТИ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И В БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ
Аннотация. Рассмотрены особенности использования относительно слабых магнитных и электрических полей для контроля и изменения структурного состояния напряженных металлоконструкций и для биопроцессов (растениеводство, медицина)
Ключевые слова: электромагнитные поля, магнитная память материалов, структура контроль свойств металлов, биопроцессы, растениеводство, инфакрасное излучение, лазер
Zadneprovsky R.P., J "ref. Dr-Jng. PRIMARY THE PARTICULARITYES UNDER INFLUANCE OF FEEBE MAGNETIC THE FIELDS ON THE PROPRIETES OF METALLIC STRUCTURAL AND BIOLOGICAL PROCESS
Abstract. Regarded primary the particularrityes influens magnetic fields for control metallic stress and application of stanics and impulse electromagnetics fields on the object and biologic
Key-word: magnetic fields , magnetic remanence , control metallic stress, bioprocess, impuls radiation
Ниже рассмотрены основы использования электромагнитных и ряда импульсных полей в промышленных( метод магнитной памяти) и биологических процессах применительно к металлам, дисперсным средам и живым организмам в растениеводстве, медицине, ветеринарии.
СУЩНОСТЬ МЕТОДА МАГНИТНОЙ ПАМЯТИ для контроля напряженности металлоконструкций. В ферра- и парамагнитных промышленных металллах имеется собственное магнитное поле рассеяния (СМПР) и связанный с ним эффект магнитной памяти металла к действию силовых нагрузок растяжения и циклического нагружения.. В зоне концентрации напряжений на поверхности объекта контроля образуется градиент магнитного поля рассеяния, который фиксируется специализированными магнитометрами Это явление используется для контроля силовой напряженности элементов стальных кончтрукций. В частности значительные исследования в этом направлении выполнены в Волгоградской специализированной лаборатории под руководством д.т.н.Жульева С.И.., а также изложены в работах Дубова А.А.[4,5 ]. .Механизм возникновения СМПР на скоплениях дислокаций обусловлен закреплением доменных границ, когда эти скопления становятся
соизмеримы с толщиной доменных стенок. Искусственным намагничнввнием в работающих конструкциях такой источник информации, как собственное магнитное поле, получить невозможно. Только в малом внешнем поле, каким являет ся магнитное поле Земли, в нагруженных конструкциях, когда энергия деформации, намного превосходит энергию внешнего магнитного поля, такая информация формируется и может быть получена [6]. В реальных ферромагнитных изделиях всегда имеется остаточная намагниченность матрицы.. Под действием рабочих нагрузок (когда энергия деформации намного больше энергии внешнего магнитного поля) происходит смещение доменных границ матрицы в зону устойчивых полос скольжения дислокаций и их закрепление в этой зоне( когда размеры скоплений дисиокаций становятся соизмеримы е толщиной доменных стенок). . Практический опыт контроля ферромагнетиков с использованием метода магнитной памяти металла показывает, что в зонах устойчивых полос скольжения дислокаций (в условиях, когда энергия деформации на порядок больше энергии магнитного поля Земли) век юр намагниченности металла может изменять знак и направление( в соответствии с направлепнем полос скольжения в металле). Если провести сортировку известных методов диагностики состояния материалов по типу используемых физических полей, получаем следующие виды: лектрические; магнитные ;электромагнитные; тепловые;механические. Такие известные и широко применяемые методы как оптические, радиоволновые, рентгеновские, акустические, , капиллярные, методы электрического сопротивления, тензометрические не исчезли, а заняли свои места в указанных этих пяти видах. Классификация методов диагностики не является самоцелью, а лишь вспомогательным инструментом для разработки ее общей концепции. Рассмотрим подробнее лишь некоторые наиболее характерные виды диагностики.
В исследованиях свойств материалов используются электромагнитные методы, которые в зависимости от диапазона частот разделяются на следующие группы или подвиды (по возрастанию частоты возбуждаемого поля): радиоволновые, СВЧ- методы, инфракрасные, оптические (видимый диапазон) ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-методы. Все эти разновидности так или иначе основаны на взаимодействия возбуждающего электромагнитного поля с собственным электромагнитными полями исследуемого материала^ создаваемыми его молекулами, атомами или их электронными оболочками. Причем наибольший эффект проявляется и том случае, когда частоты возбуждающего и собственных полей близки. Частоты же собственных электромагнитных полей зависят от напряженного состояния материала.
Современная диагностика состояния конструкционных материалов, располагающая большим арсеналом различных физических методов и
средств, уже не ограничивается задачами дефектоскопии, а все более широко используется при решении задач определения механических характеристик материалов, причем основное место здесь занимают методы и средства измерения остаточных и рабочих внутренних напряжений.
Ограничения широко известных магнитных методов обусловлены тем, что заложенный в них принцип основан на зависимости магнитных характеристик материала от его структуры или фазового состояния, которые определяются технологическими и эксплуатационными свойствами материала и начинают заметно изменяться только при значительных пластических деформациях, соответствующих механиче -ским напряжениям, близким к предельным. При этом, рассматриваемые активные магнитные методы отличаются практически полной нечувствительностью к аномалиям материала, расположенным в глубине детали.
Известные пассивные магнитные методы диагностики напряженно -деформированного состояния ферромагнитных материалов представляют более тонкий инструмент, однако, и для них характерны низкая чувствительность к аномалиям, расположенным в глубине материала, и неоднозначность результатов оценки состояния материала. Наиболее эффективным методом контроля фактического напряженно -деформированного состояния оборудования и конструкций, который получает все большее распространение, на практике, остается метод магнитной памяти металла (ММП).
Метод магнитной памяти металла представляет принципиально новое направление в технической диагностике. Это второй после акустической эмиссии (АЭ) метод, при котором используется информация излучения конструкций. При ним ММП, кроме раннего обнаружения развивающегося дефекта, дает дополнительно информацию о фактическом напряженно-деформированном состоянии объекта и выявляет причину образования зоны концентрации напряжений -источника развития повреждения.
По сравнению с методом АЭ, ММП начинает «работать» на более раннем этапе с превышением внешней нагрузкой уровня внутренних напряжений металла.
При практическом использовании метода магнитной памяти (ММП) определяются траектории линий концентрации напряжений . при определении которых возникают следующие факторы, которые существенно влияют на достоверность определений: форма и ориентация обьекта контроля относительно магнитного плоя Земли; наличие близко расположенных других ферромагнитных обьектов; явления блуждающих токов: проявление термоактивного эффекта: резкое изменение структуры металла ( например, в месте сварки); локальная намагниченность от механического воздействия ( например, удара). Указанные факторы могут
создавать свою линию с отчетной ( нулевой магнитной напряженностью. Наиболее применимы вышеуказанные методы магнитной памяти для оценки механического состояния ( напряженности, состояния контактов и др.) в узлах паровых турбин, энергетических агрегатов, запорной аппаратуры ( расшатанности шпонок, заклепок и т.п). Оценка зон и уровня концентрации напряжения в исследуемых деталях позволяет определить предельно состояние металла в отдельных элементах напряжений конструкции .
Об эффекте применения слабых ЭМП в биопроцессах (растенииеводство, медицина, ветеринария) и в производстве строительных материалов. Постоянное и переменное магнитное поле (в диапазоне 400-2000 Эрстед) при кратковременном воздействии на жидкости и влагосодержащие цементные смеси значительно ускоряют процесс твердения и конечную прочность, а полив с/х растений омагниченной водой ускоряет впитывание и прорастание семян и, в конечном итоге, повышает урожайность. Постоянный электрический потенциал 0,05-0,2В приложенный между корнями и верхушкой овощных растений ускоряет процесс переноса питательного раствора из почвы. В результате этого урожайность плодов повышается на 20 -30% . Отметим . что в данном случае источником потенциала может служить разность потенциалов системы металл-почва ( за счет помещенного в почву вблизи корней мелких обломков металлических отходов производства). Опыты автора показали значительный эффект повышения урожайности овощных культур при 2-3 кратных подкормках омагниченными растворами удобрений (по сравнению с обычными без омагничивания) . Агрегат для подкормок включал трактор, цистерну с раствором удобрений и постоянный магнит закрепленный вблизи регулировочного крана. Оптимальный режим достигался изменением скорости потока раствора на выходе и расстояния от магнита. Напряженность магнитного поля в данном случае могла меняться в пределах 500 - 2500 Эрстед( до 50Тесла). Прирост урожая томатов составлял 25-40%.. Омагничивающее устройство монтируется на патрубке дополнительного ( параллельного) трубопровода с увеличенным диаметром. Для проверки оптимизации магнитной активации раствора предложен прибор ( а/с № 379887) , позволяющий измерять изменение вязкости по относительной разности скорости скатывания с наклонной плоскости капель обычной и омагниченной жидкости.
Методы импульсного электромагнитного воздействия в последнее время интенсивно исследуются и применяются для повышения урожайности и качества с\х продукции.
Электрообработка семенного материала проводится с целью стимуляции всхожести и начальной стадии роста растений. Используются электростатическое поле и поле коронного разряда в последовательном
импульсно-временном режиме.
Электрообработка тканей растений с целью их необратимого повреждения, например, для борьбы с сорняками или для повышения качества сырья в дальнейшей технологической переработке - например, электроискровая обработка листьев табака. Мощность и продолжительность импульсов определяются экспериментально. При этом подбираются и соответствующие параметры электроразрядной установки: емкость конденсаторов, напряженность поля и сопротивление цепи. Ориентировочная мощность на входе конвейера для обработки листьев табака -200 - 400 Вт.
Выбор режима электрообработки для борьбы е сорняками требует систематических данных по электропроводности растительных тканей различных сорных растений (стеблей, листьев, корневой системы) с учетом фаз их вегетации, Для основных сорняков Волгоградской области удельное. сопротивление стеблей составляет 14- 170м.м, корневой системы- 21-23 Ом.м . Для возможности электропрополки необходима напряженность поля не менее 3-4 кВ/см (Баев В.И., Юдаев И.В.,ВГСХА). Мобильный агрегат для электропрополки должен включать источник энергии (трактор с синхронным генератором), преобразователь напряжения и систему подвода электроэнергии разряда к сорнякам. Параметры разрядного контура ,энергия цикла разрядки, время импульса и напряженность электрополя должны быть регулируемыми.
Ориентировочное значение количества энергии для надежного повреждения растительных тканей на единицу их объема составляет около 1,5 Дж/см3
Для борьбы с болезнями садовых культур может использоваться лазерное или инфракрасное излучение (например, на основе электрооптического преобразователя лампы ИФК-120). Опыты показали, что второй метод экономичнее и может снижать заболеваемость плодов яблонь паршей до 30%. Развитие болезней на плодах при импульсном электровоздействии значительно замедляется. Такое воздействие может заменять химобработку, что весьма важно для получения экологически чистой продукции.
Метод сушки материалов в поле коронного разряда. Доказана перспективность повышения интенсификации сушки плодов и растительных материалов энергией «ионного ветра»- в поле коронного разряда. Опыты по обезвоживания картофеля И показали, что для устойчивого коронного разряда необходима напряженность около 1,5 кВ/мм ( на коронируюшем электроде), потребляемая энергия - около 3500 кДж на кг испаряемой воды. Сушка ускоряется в несколько раз по сравнению с естественной. В этом методе материал практически не нагревается ,что делает его перспективным для сушки медицинских и ряда других препаратов, когда нагрев приводит к необратимым, нежелательным
побочным процессам.
В биопроцессах (медицинского и ветеринарного направления) наиболее перспективны энергетические поля магнитных наночастиц, в частности, для повышения надежности и эффективности в диагностики и лечении онкозаболеваний . Наиболее эффектны магнитные наночастицы на основе оксида железа ( Fe2O3) размером 3-4 мкм, используемые для извлечения радиочастиц из растворов [ 6,7 ]. Следует делать рааличие при воздействии электромагнитных полей (ЭМП) на жидкую среду биообьекта ( в первую очередь воду и ее растворы) и введение в биообьект влаги подвергнутой обработке ЭМП. Можно отметить следующие примеры эффективного воздействия:1)хаотично движущиеся в воде микроорганизмы упорядучивают свое движение ( по кругу) при приближении магнитов, 2) в намагниченном физиологическом растворе крови эритроциты набухают и разрушаются быстрее, 3) омагниченная вода обладает существенно повышенной биоактивностью и при практическом применении ( например, для лечения суставов ) может быть достигнут положитнльный эффект при правильно подобранном режиме омагничивания, 4) действие ЭМП ощущается на клеточном уровне, изменяется активность клеток, проницаемость биомембран, существенно заметно влияние на нервную и сердечно сосудистую систему. Сдедует подчеркнуть, что механихзм воздействия ЭМП на живые биообьекты изучен недостатлчно и необходим индивидуальный подбор оптимальтной интенсивности ЭМП , особенно когда дело касается организма человека. Неоднродное магнитное поле ( при напряженности напряженности до 1500А/м) действует сильнее однородного. При этом при изменении напряженности наблюдается несколько экстремальных значений изменяемых показателей биообьектов. Это является одной из главных причин индивидуального поиска оптимальной интенсивности для каждого данного биообьекта . Так, например в опытах автора по изменению свойств воды при слабом омагничивании (напряженности Н= 6-24 А/м и скорости протекания воды У= 0,5-2 м,/с) наблюдалось 2-4 экстремальных значений изменяемых свойств (электропроводность, вязкость, уровень адгезии влажных порошков к металлу). При существенном изменении режима омагничивания отмечаются также следующие эффекты: ускорение дегазации неочищенных стоков, ускорение кристаллизации пересыщенных растворов, увеличение растворимости солей и коррозионного разрушения цветных металлов,, изменение режима окисления кристаллизации растворов., значительное ускорение промывки засоленных вод и грунтов. Интересно отметить значительное повышение интенсивности ЭМП при комбинации с ультразвуком для роста противонакипного эффекта ( в 1,3 - 1,7 раза). Следует подчеркнуть, что зависимость интенсивности и скорости изменения физических свойств воды и влажных материалов от параметров намагничивания во многих
случаях полиэкстремальна и при отклонениях от оптимального ( для данного процесса) режима можно получить обратные результаты от ожидаемых.
Использованные источники:
1. Заднепровск ий Р.П. Об эффективности и закономерностях влияния внещних энергетических воздействий на свойства тел. Научные труды Волгоградского клуба докторов наук , Волгоград: изд «Сфера» ,2017. С. 5 -14
2. Коваленко В.С. Нетрадиционные методы обработки материалов в Японии.//Электронная обработка материалов , 2000,№3, с.4-12
3. Пындак В.И., Лагутин В.В., Юшкин А.В. Перспективы применения активированных водных растворов в растениеводстве // Поволжский экологический вестник,2001, вып.8,с.119-122.
4. Дубов А.А. Исследование свойств металлов с использованием метода и магнитной памяти// Металловедение и термическая обработка металлов, 1997, №9
5. Горицкий В.М., Дубов А.А.Демин Е.А. Исследование структурной повреждаемости стальных образцов с использованием метода магнитной памяти металла // Контроль, Диагностика 2000,,№7
6. Заднепровский Р.П. О способах изменения физико-химических сваойств воды и их влияния на влагосодержащие материалы , состояние и биообьектов и экологической среды. Научные труда Волгоградского клуба докторов наук, Волгоград: изд.»Сфера»,2017.С.14—22.
7. Шкинев В.М., Джемлода Р.Х., Миходоева О.Б. и др. Получение магнитных наночастиц для медицинского применения. Нанотехнологии в с овременных материалах технологического биомедицинского применения. Изд. Севастопольского госуниверситета, 2018, с.39-41
