Ток срабатывания электромагнитного расцепителя: Описание параметра “Характеристика срабатывания электромагнитного расцепителя”

Подробно рассказываем о кривых срабатывания автоматических выключателей

август 16, 2021

В результате протекания по проводам токов, превышающих максимально допустимые значения, выходит из строя бытовая техника, перегревается и плавится проводка. Задача замыкающего и размыкающего электроцепь автоматического выключателя – защитить линию от повреждений сверхтоками перегрузок и коротких замыканий. Правильный выбор автомата даёт возможность не только своевременно обесточить электролинию на избыточно нагруженном участке, сохранив работоспособность защитного устройства, но и избежать перебоев с электричеством при подключении в сеть электроприборов с высокими пусковыми токами. Кривые срабатывания автоматических выключателей наглядно демонстрируют зависимость времени срабатывания защитного устройства от отношения величины протекающего по нему тока к номинальному.

Особенности работы автоматов защиты сети

Чтобы понять, какой автоматический выключатель вам подходит больше всего, нужно детально представлять себе работу устройства с комбинированным расцепителем.

В конструкцию современного автоматического выключателя как правило входят и тепловой и электромагнитный расцепители. Тепловой, представляющий собой биметаллическую пластину, размыкает электрическую цепь, когда общая мощность включенного в неё оборудования превышает предельно допустимую. Отключение питания происходит из-за изменения положения в результате деформации, вызванной тепловым расширением, спаянного из двух разных по составу металлических элементов теплового расцепителя.

Электромагнитный расцепитель представляет собой катушку с установленным на специальной пружине сердечником, который втягивается внутрь катушки под воздействием увеличившегося в результате короткого замыкания электромагнитного поля, размыкая подвижный контакт автоматического выключателя. Электрическая дуга, возникающая на подвижном контакте при срабатывании любого из расцепителей, дробится и затухает между пластинами дугогасительной камеры автомата.

Маркировка A, B, C, D, K или Z на корпусе автоматического выключателя – это токовременная характеристика срабатывания.  Она показывает, во сколько раз значение силы тока должно превысить номинальное, чтобы произошло автоматическое отключение. Цифра справа от неё – номинальный ток, на который рассчитан автомат.

Справка! Номинальный ток – это максимально допустимый ток, который электрическая сеть способна проводить продолжительное время без перегрева токопроводящих элементов и изоляции. Оптимальное для объекта значение номинального тока определяется сечением проводки и предполагаемой нагрузкой оборудования, которое планируется к ней подключить.

По кривой тока можно узнать, разомкнёт ли автомат, который вы собираетесь установить в электрощитке на входе в квартиру, сеть в случае, если произойдёт короткое замыкание. На графике ниже красная пунктирная линия, соответствующая рассчитанной для автомата типа C с номиналом 16 А кратности увеличения нагрузки в момент КЗ, пересекает кривую в зоне электромагнитной защиты автомата и соответствует времени срабатывания 0,01 с.

Это означает, что проводка не пострадает, поскольку цепь будет разомкнута практически сразу же после того, как произойдёт перегрузка.

Однако если вы поставите автоматический выключатель, номинал которого существенно больше повседневной нагрузки, в случае возникновения короткого замыкания кратность превышения номинального значения тока, под которое рассчитан приобретённый вами автомат, будет незначительной, отключение, судя по графику ниже, произойдёт лишь через 10 с после наступления аварийной ситуации. За это время проводка, работающая под большой нагрузкой, может оплавиться.

Установка разных по типу защитных устройств на входе в квартиру и отдельно для каждой ветви электрической сети позволяет поддерживать нормальное электроснабжение практически всей жилой площади даже в случае, если на одном из участков произошла перегрузка сети в результате КЗ. Совмещая кривые двух автоматов, мы видим, что повышение нагрузки, в результате которого автомат типа B (кривая синего цвета) разомкнёт цепь через 0,02 с, вызовет отключение автомата типа C (сиреневая кривая) больше чем через минуту. Отключение ветви, где произошло замыкание, восстановит нормальное значение силы тока в проводке, поэтому выключатель C не сработает.

Типы кривых срабатывания

Каждая кривая расположенного ниже графика показывает, как изменяется время размыкания цепи в зависимости от нагрузки и типа автоматического защитного устройства. Тип мгновенного расцепления A, B, C, D, K или Z определяется кратностью превышения нагрузки в токопроводящей сети:

• A – для срабатывания автомата необходимо повышение нагрузки в 2–3 раза;
• B – чтобы сработал электромагнитный расцепитель, нагрузка должна увеличиться в 3–5 раз;
• C – расцепитель сработает в случае увеличения тока в 5–10 раз;
• D – защитный выключатель сработает после того, как ток в сети превысит номинальный в 10–20 раз;
• K, Z – параметры задаются техническими условиями производителя.

Каждому типу кривой соответствуют две линии, определяющие диапазон, в котором работает автомат, и две зоны: верхняя, демонстрирующая, как быстро будет срабатывать автоматический выключатель в неразогретом состоянии, и нижняя, показывающая, как изменится время отключения, если проводка будет разогретой.

На вертикально расположенной оси отмечено время размыкания цепи защитным устройством, по горизонтальной оси графика можно определить, во сколько раз сила тока должна увеличиться, чтобы автомат сработал в заданное время. Цифры в верхнем левом углу графика означают, что тепловой расцепитель может разомкнуть цепь в случае превышения номинального значения силы тока в 1,13 раза и точно сработает примерно через час, если нагрузка увеличится в 1,45 раза.

Время-токовая характеристика типа В

Защитное устройство с токовременной нагрузкой типа B используется в электролиниях, где практически не фиксируются пусковые токи. Срабатывает он за 0,04 с при повышении значения номинала переменного тока в 5 раз в разогретом состоянии и через 32 секунды в неразогретом виде, если его номинал не превышает 32 А.

Время-токовая характеристика типа С

Перегрузочная способность автоматов C-типа позволяет использовать их в качестве вводных устройств, размыкающих в случае необходимости общую сеть. При повышении силы тока в 5 раз по отношению к номинальной автомат разомкнёт гоячую сеть через 0,02 с и через 10 с, если номинальное значение силы тока защитного устройства не более 32 А. Если значение номинальной силы тока будет превышено в 5 раз, автоматическое защитное устройство разомкнёт цепь через 0,01 с.

Время-токовая характеристика типа D

Автоматические защитные устройства типа D устанавливают в сетях с большими пусковыми нагрузками. При увеличении номинального значения в 10 раз, сеть будет разомкнута через 0,02 с в разогретом виде и через 3 секунды, если номинальный ток увеличится в те же 10 раз для автомата с номинальным значением силы тока не превышающим 32 А в то время, когда проводка ещё не успела разогреться.

Время-токовая характеристики A, K и Z

Высокочувствительные автоматы типа A защищают удлинённые цепи с полупроводниками, в работе которых не допускаются даже незначительные перегрузки.

Выключатели K-типа применяются в цепях с индуктивной нагрузкой и срабатывают при увеличении номинального переменного тока в 12 раз и в 18 постоянного. Автоматы Z-типа применяются в линиях, оснащённых электроникой. Срабатывают они при повышении номинального переменного тока в 3 раза или в 4,5 постоянного.

Изменение характеристик расцепления автоматов

Температура окружающего воздуха и тепло, исходящее от расположенных рядом полюсов могут существенно изменить параметры работы автоматического выключателя. При рассчёте нагрузочной способности защитного автомата возможный перегрев учитывается с помощью умножения значения номинального тока на коэффициенты Kt и Kn.

Приспосабливая автоматический выключатель к требованиям управляемой им электросети, некоторые производители оснащают защитные устройства регулируемыми расцепителями. Максимум номинального значения тока такого автомата при покупке вы можете определить по максимальному уровню уставки тока отключения.

Испытания автоматических выключателей

Чтобы убедиться в работоспособности защитного устройства, параметры его работы проверяют следующим образом:

• В неразогретом состоянии через автомат защиты пускают ток, превышающий номинальное значение в 1,13 раза. Автоматы с номинальным значением силы тока не более 63 A должны отключить электричество через час, с номинальным значением более 63 A – лишь через 2 часа.
• Ток, превышающий номинальное значение в 1,45 раза заставит сработать выключатель номиналом до 63 А меньше чем за час. Для автоматов, рассчитанных на 63 А и более, время до размыкания электрической цепи не должно превысить 2 часа.
• Если через холодное защитное устройство номиналом до 63 А пропустить ток, в 2,55 раза больше номинала, автомат, рассчитанный не более чем на 32 А, сработает в диапазоне от 1 с до 1 мин и не позднее чем через 2 минуты, если номинальный ток защитного автомата выше 32 А.
• Через защитное устройство типа B или C в неразогретом состоянии пропускают ток нижнего порога диапазона. Для приборов с номиналом меньше 32 А время срабатывания должно находиться в пределах от 0,1 с до 45 с, для автоматов с номиналом силы тока от 32 А оно составит не больше 90 с.
• Через тот же холодный выключатель B или C, пропускают ток верхнего порога диапазона. Автоиат должен сработать за время меньше 0,1 с.

Полученные результаты должны соответствовать токовременным характеристикам, отображённым кривыми графика. При проведении испытательных мероприятий следует помнить, что обязательное отключение защитного автомата в установленное Правилами устройства электроустановок время, происходит лишь в случае, если ток однофазного КЗ равен или превышает верхнее значение, определённое производителем для выключателя такого диапазона.

Время-токовые характеристики автоматических выключателей.

Как известно автоматические выключатели могут иметь следующие виды расцепителей обеспечивающих защиту электрической цепи от сверхтоков: электромагнитный — защищающий сеть от коротких замыканий, тепловой — обеспечивающий защиту от токов перегрузки и комбинированный представляющий собой совокупность электромагнитного и теплового расцепителя (подробнее читайте статью «автоматические выключатели«).

Примечание: Современные автоматические выключатели предназначенные для защиты электрических сетей до 1000 Вольт имеют, как правило, комбинированные расцепители.

Расцепители автоматических выключателей — это исполнительные механизмы которые обеспечивают отключение (расцепление) электрической цепи при возникновении в ней тока выше допустимого, причем чем больше это превышение тем быстрее должно произойти расцепление.

Зависимость времени расцепления автоматического выключателя от величины проходящего через него тока и называется время-токовой характеристикой или сокращенно — ВТХ.
 

 

Условия и значения ВТХ

ВТХ автоматов определяются следующими значениями:

 

1) Ток мгновенного расцепления — минимальное значение тока, вызывающее автоматическое срабатывание выключателя без преднамеренной выдержки времени. (ГОСТ Р 50345-2010, п. 3.5.17)

Примечание: срабатывание без преднамеренной выдержки времени обеспечивается электромагнитным расцепителем автомата.

Ток мгновенного расцепления определяется так называемой «характеристикой расцепления»  или как ее еще называют — характеристика срабатывания.

Согласно ГОСТ Р 50345-2010 существуют следующие типы характеристик срабатывания автоматических выключателей:

 

Примечание: существуют так же и другие, нестандартные типы характеристик, о них мы говорили в статье «автоматические выключатели«.

Как видно из таблицы выше ток мгновенного расцепления указывается в виде диапазона значений, например характеристика «B» предполагает, что автомат обеспечит мгновенное расцепление при протекании через него тока в 3 — 5 раз превышающего его номинальный ток, т.е. если автоматический выключатель с данной характеристикой имеет номинальный ток 16 Ампер, то он обеспечит мгновенное расцепление при токе от 48 до 80 Ампер.

Определить характеристику срабатывания автоматического выключателя, как правило, можно по маркировке нанесенной на его корпусе.

 

2) Условный ток нерасцепления — установленное значение тока, который автоматический выключатель способен проводить, не срабатывая, в течение заданного (условного) времени*. (ГОСТ Р 50345-2010, п. 3.5.15) Согласно пункту 8.6.2.2 ГОСТ Р 50345-2010 условный ток нерасцепления равен 1,13 номинального тока автомата.

3) Условный ток расцепления — установленное значение тока, которое вызывает срабатывание автоматического выключателя в течение заданного (условного) времени*. (ГОСТ Р 50345-2010, п. 3.5.16) Согласно пункту 8.6.2.3 ГОСТ Р 50345-2010 условный ток расцепления равен 1,45 номинального тока автомата.

* Условное время равно 1 ч для выключателей с номинальным током до 63 А включительно и 2 ч с номинальным током свыше 63 А. (ГОСТ Р 50345-2010, п.8.6.2.1)

 

Время-токовая характеристика автоматического выключателя определяется условиями и значениями приведенными в таблице 7 ГОСТ Р 50345-2010:

I_n — номинальный ток автоматического выключателя

 

 

Графики ВТХ

Для удобства производителями в паспортах на автоматические выключатели время-токовые характеристики указываются в виде графика где по оси X откладывается кратность тока электрической цепи к номинальному току автомата (I/In), а по оси Y время срабатывания расцепителя.

Для подробного рассмотрения в качестве примера возьмем график ВТХ для автоматического выключателя с характеристикой «B»

 

ПРИМЕЧАНИЕ: Все приведенные ниже графики предоставлены в качестве примера. У различных производителей графики ВТХ могут отличаться (смотрите в паспорте автомата), однако они в любом случае должны соответствовать требованиям ГОСТ Р 50345-2010 и в частности значениям указанным в таблице 7 приведенной выше.

 

 

Как видно график ВТХ представлен двумя кривыми: первая кривая (красная) — это характеристика автомата в так называемом «горячем» состоянии, т.е. автомата находящегося в работе, вторая (синяя) — характеристика автомата в «холодном» состоянии, т.е. автомата через который только начал протекать электрический ток.

 

При этом синяя кривая имеет дополнительно штриховую линию, эта линия показывает характеристику автомата (его теплового расцепителя) с номинальным током до 32 Ампер, это различие в характеристиках автоматов с номиналами до и выше 32 Ампер обусловлено тем, что в автоматах с большим номинальным током биметаллическая пластина теплового расцепителя имеет большее сечение и соответственно ей необходимо больше времени что бы разогреться.

 

Кроме того каждая кривая имеет два участка: первый — показывающий плавное изменение времени срабатывания в зависимости от тока электрической цепи является характеристикой теплового расцепителя, второй  — показывающий резкое снижение времени срабатывания (при токе от 3 In в горячем состоянии и от 5 In в холодном состоянии ), является характеристикой электромагнитного расцепителя автоматического выключателя.

 

 

Как видно, на графике ВТХ отмечены основные значения характеристик автомата согласно ГОСТ Р 50345-2010 при 1.13In (Условный ток нерасцепления) автомат не сработает в течении 1-2 часов, а при токе в 1,45 In (Условный ток расцепления) автомат отключит цепь за время менее 50 секунд (из горячего состояния).

 

Как уже было сказано выше ток мгновенного расцепления определяется характеристикой срабатывания автомата, у автоматических выключателей с характеристикой «B» он составляет от 3In до 5In, при этом согласно вышеуказанному ГОСТу (таблице 7) при 3In автомат не должен сработать за время менее 0,1 секунды из холодного состояния, но должен отключиться за время менее 0,1 секунды из холодного состояния при токе в цепи 5In и как мы можем увидеть из графика выше данное условие выполняется.

 

Так же по время-токовой характеристике можно определить время срабатывания автомата при любых других значениях тока, например: в цепи установлен автомат с характеристикой «B» и номинальным током 16 Ампер, при работе в данной цепи произошла перегрузка и ток вырос до 32 ампер, определяем время срабатывания автомата следующим образом:

Делим ток протекающий в цепи на номинальный ток автомата    32А/16А=2

Определив что ток в цепи в два раза больше номинала автомата, т.е. составляет 2In откладываем данное значение по оси X графика и поднимая от нее условную линию вверх смотрим где она пересекается с кривыми графика:

 

Как мы видим из графика при токе 32 Ампера автомат с номинальным током 16 Ампер разомкнет цепь за время менее 10 секунд — из горячего состояния и за время менее 5 минут — из холодного состояния.

 

Приведем примеры ВТХ автоматических выключателей всех стандартных характеристик срабатывания (B, C, D):

 

 

 

 

ПРИМЕЧАНИЕ: Время-токовые характеристики согласно ГОСТ Р 50345-2010 указываются для автоматов работающих при температуре +30^+5 оC смонтированных в соответствии с определенными условиями.

 

Условия испытания. Поправочные коэффициенты

Согласно ГОСТ Р 50345-2010 При испытаниях выключатели устанавливают отдельно, вертикально, на открытом воздухе в месте, защищенном от чрезмерного внешнего нагрева или охлаждения.

испытания автоматических выключателей проводят при любой температуре воздуха, а результаты корректируют по температуре +30 °С на основании поправочных коэффициентов, предоставленных изготовителем.

При этом в любом случае отклонение испытательного тока от указанного в таблице 7 не должно превышать 1,2% на 1 °С изменения температуры калибровки.

 

Изготовитель должен подготовить данные по изменению характеристики расцепления для температур калибровки, отличных от контрольного значения.

Таким образом, что бы точно узнать время отключения автоматических выключателей, эксплуатируемых при условиях отличающихся от условий испытания необходимо воспользоваться поправочными коэффициентами которые должен предоставить изготовитель данных выключателей.

 

Приведем пример таких поправочных коэффициентов (обычно их всего 2):

• Температурный коэффициент (Кt)

Температурный коэффициент учитывает отличие температуры окружающей среды при которой автоматический выключатель испытывался от фактической температуры окружающей среды при которой он эксплуатируется:

 

Как видно из графика, чем ниже температура окружающей среды тем выше данный коэффициент. Объясняется это просто — чем ниже температура окружающей среды, тем больший ток должен протекать через автоматический выключатель что бы нагреть расцепитель до температуры необходимой для его срабатывания.

• Коэффициент, учитывающий количество установленных рядом автоматов (Кn)

Как было сказано выше, автоматические выключатели при их испытании устанавливаются отдельно, однако на практике они устанавливаются в электрических щитах в один ряд с другими автоматами, что соответственно ухудшает их охлаждение за счет ухудшения циркуляции воздуха и тепла от установленных рядом выключателей:

 

Соответственно, как и можно увидеть из графика, чем больше рядом установлено автоматов, тем меньше данный коэффициент.

Зная поправочные коэффициенты можно скорректировать номинальный ток автомата в зависимости от условий его эксплуатации.

Например: имеется автоматический выключатель с номинальным током 16 Ампер установленный в щитке с 5 другими автоматами при температуре окружающего воздуха +10^оC.

1. По графикам выше найдем поправочные коэффициенты:

• Кt=1,05
• Кn=0,8

2. Зная поправочные коэффициенты скорректируем номинальный ток автомата:

In^/= In* Кt* Кn=16*1.05*0.8=13.44 Ампер

Соответственно при эксплуатации автоматического выключателя в вышеуказанных условиях для определения времени его срабатывания необходимо принимать ток не 16 Ампер, а 13,44 Ампера.

 

 

 

Электромагнитное излучение и поля

Электромагнитное излучение

Электромагнитное поле (ЭМП) генерируется при ускорении заряженных частиц, таких как электроны. Движущиеся заряженные частицы создают магнитные поля. Электрические и магнитные поля присутствуют вокруг любой электрической цепи, независимо от того, несет ли она переменный ток (AC) или постоянный ток (DC). Поскольку постоянный ток постоянен, а переменный ток меняется по направлению, поля от источников постоянного и переменного тока имеют существенные различия. Статические поля, например, не индуцируют токи в стационарных объектах, в отличие от полей переменного тока. Статические магнитные поля не меняются со временем и, следовательно, не имеют частоты (0 герц [Гц]).

Наиболее известные магнитные эффекты проявляются в ферромагнитных материалах, которые сильно притягиваются магнитными полями и могут намагничиваться, превращаясь в постоянные магниты, сами создавая магнитные поля. Лишь немногие вещества являются ферромагнитными; наиболее распространены железо, никель, кобальт и их сплавы.

Интенсивность магнитного поля обычно измеряется в теслах (Тл или мТл) или гауссах (Гс). Бытовые магниты имеют силу порядка нескольких десятков миллитесла (1 мТл = 10 ^–3 Тл), в то время как напряженность поля оборудования для магнитно-резонансной томографии (МРТ) колеблется от 1,5 Тл до 10 Тл. , и измеряется в вольтах на метр (В/м). Статическое электрическое поле (также называемое электростатическим полем) создается фиксированными в пространстве зарядами. Напряженность естественного статического электрического поля в атмосфере колеблется от примерно 100 В/м в ясную погоду до нескольких тысяч В/м при грозовых облаках. Другим источником статических электрических полей является разделение зарядов в результате трения или статических электрических токов от различных технологий. В домашних условиях при ходьбе по непроводящим коврам может накапливаться потенциал заряда в несколько киловольт, генерирующий локальные поля. Высоковольтные линии электропередач постоянного тока могут создавать статические электрические поля до 20 кВ/м и более.

Источники с напряженностью поля от 5 до 7 кВ/м могут создавать широкий спектр угроз безопасности, таких как реакции вздрагивания, связанные с искровыми разрядами и контактными токами от незаземленных проводников в поле.

Статические магнитные поля

Магнитное поле — это силовое поле, создаваемое магнитом или зарядами, которые движутся в постоянном потоке, подобно постоянному току (DC). Статические магнитные поля притягивают металлические предметы, содержащие, например, железо, никель или кобальт. Количество феррита (разновидность железа) или мартенситной стали (особый тип сплава нержавеющей стали) в объекте будет влиять на его магнитную способность: чем больше количество этих компонентов, тем больше ферромагнетизм. Все типы нержавеющей стали серии 400 являются магнитными. Аустенитная сталь не магнитится. Большинство, но не все, нержавеющие стали серии 300 являются аустенитными и немагнитными.

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

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

Магнитные поля, изменяющиеся во времени

Магнитные поля, изменяющиеся во времени, — это магнитные поля, которые меняют свое направление с постоянной частотой. Они могут индуцировать электрический ток в проводнике, находящемся в этом поле, а также в теле человека. Изменяющиеся во времени магнитные поля создаются устройствами, использующими переменный ток, такими как антенны сотовых телефонов, микроволновые печи и т. д. Общее эмпирическое правило состоит в том, что 1 Тл/с может индуцировать около 1 микроампера на квадратный сантиметр (мкА/см 9 ).0009 2 ) в теле.

Наведенные токи в теле могут вызвать локальный нагрев и возможные ожоги, что является основным эффектом изменяющихся во времени полей. Причиной является высокочастотное переменное во времени поле. Низкочастотные поля обычно не вносят большого вклада в этот эффект.

Источники электромагнитного излучения

Статические магнитные поля создаются магнитами или потоком постоянного тока. Они также могут быть получены из многих природных источников. К естественным источникам статических электрических полей относятся земная атмосфера во время грозы, заряд, возникающий при шаркании по ковру, и «прилипание статического электричества» к одежде. Земля имеет электрическое поле около 130 В/м вблизи поверхности из-за разделения зарядов между землей и ионосферой. Он направлен вертикально. Земля и ионосфера вместе образуют сферический конденсатор, двумя проводящими поверхностями которого являются земля и верхние слои атмосферы. Эта разница потенциалов поддерживается молнией, которая приносит на землю отрицательные заряды.

Земля сама по себе имеет естественное статическое магнитное поле, которое используется для навигации по компасу. Токи, протекающие глубоко внутри земного ядра, создают естественные статические магнитные поля на земной поверхности. Земля имеет плотность статического магнитного потока, составляющую в среднем 0,5 Гс, с самой низкой напряженностью поля на экваторе и самой высокой на магнитных полюсах.

Обычными источниками статических магнитных полей являются постоянные магниты (которые находятся в бытовой технике, игрушках и медицинских устройствах), приборы с батарейным питанием, томографы МРТ, некоторые электрифицированные железнодорожные системы и некоторые промышленные процессы.

Сверхпроводящие магниты

Схематическое изображение магнитного поля, создаваемого индуцированным током.

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

Сверхпроводящие магниты, такие как оборудование ЯМР и МРТ, создают уникальные проблемы безопасности. Эти проблемы включают криогенную безопасность, сильные магнитные поля и возможность создания атмосферы с дефицитом кислорода. Самый высокий потенциал для наиболее серьезных из этих опасностей существует во время запуска магнита, заполнения криогеном и технического обслуживания. После того, как магниты введены в эксплуатацию и установлены магнитные поля, опасность становится минимальной, если операторы, обслуживающий персонал, пациенты и/или посетители понимают пределы близости и процедуры, которым необходимо следовать при работе вблизи магнита.

Ядерно-магнитный резонанс

Пример системы ЯМР

Система ЯМР использует статическое магнитное поле и радиочастотный импульс, чтобы заставить ядерные спины выровняться в магнитном поле, чтобы максимизировать силу сигнала ЯМР. ЯМР-спектроскопия — это исследовательский метод, который использует магнитные свойства определенных атомных ядер и может предоставить подробную информацию о структуре, динамике, состоянии реакции и химическом окружении молекул.

ЯМР являются сверхпроводящими магнитами и обычно создают поля ядра от 0,15 Тл до 20 Тл. Интенсивность этих полей уменьшается по мере увеличения расстояния от ядра. Исследовательские ЯМР более мощные, чем медицинские приборы, но их поля меньше по объему, сфокусированы и быстро ослабевают, что облегчает обеспечение защиты персонала.

Советы по безопасности при использовании ЯМР

Магнитно-резонансная томография

Типичный медицинский МРТ-сканер

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

Большинство медицинских магнитов являются сверхпроводящими магнитами, для которых требуется жидкий гелий. Сила магнитного поля МРТ варьируется от 0,15 Тл до 4 Тл. Сверхпроводящие магниты с силой 1,5 Тл и выше позволяют выполнять функциональную визуализацию мозга и МР-спектроскопию с улучшенным временным и пространственным разрешением. Такие магниты имеют дополнительные проблемы, связанные с радиочастотным (РЧ) нагревом объекта.

Советы по безопасности при использовании МРТ

Ионные насосы

Пример ионного насоса распыления

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

Три основных типа ионных насосов: обычный или стандартный диодный насос, насос с благородным диодом и триодный насос.

Базовая конструкция состоит из двух электродов (анода и катода) и магнита. Ионные насосы обычно используются в системах сверхвысокого вакуума (СВВ), поскольку они могут достигать предельных давлений менее 10 ⁻¹¹ мбар. В отличие от других распространенных насосов сверхвысокого вакуума, таких как турбомолекулярные насосы и диффузионные насосы, ионные насосы не имеют движущихся частей и не используют масло. Поэтому они чистые, требуют минимального обслуживания и не производят вибраций. Эти преимущества делают ионные насосы подходящими для использования в сканирующей зондовой микроскопии и других высокоточных приборах. Кроме того, они не нуждаются в запекании и сконструированы так, чтобы свести к минимуму паразитное магнитное поле.

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

Влияние на здоровье

Физические и биологические эффекты в статических электрических и магнитных полях

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

Современные кардиостимуляторы предназначены для тестирования или перепрограммирования с использованием небольшого магнитного поля, внешнего по отношению к телу. Статические поля могут замыкать герконы и вызывать переход кардиостимулятора в режим тестирования, перепрограммирования, обхода и другие режимы работы, что может привести к травмам.

По данным использования МРТ, статические поля могут оказывать небольшое обратимое влияние на данные электрокардиограммы. Причиной является взаимодействие движущейся крови (проводящей среды) и поля в сердце. Эффект минимален (приблизительно ниже 2 Тл) и не вызывает беспокойства.

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

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

Эффекты изменяющихся во времени полей аналогичны эффектам статических полей. В таком поле могут возникать малые токи, обычно не присутствующие в теле. Обычно это не вызывает беспокойства, но они могут вызывать головокружение и сенсорные ощущения, такие как тошнота, металлический привкус во рту и слабое мерцание зрительных ощущений (магнетофосфены). Пользователи кардиостимуляторов также могут подвергаться риску. Наведенные токи могут привести к тому, что кардиостимулятор неправильно начнет стимуляцию или даже помешает стимуляции, когда это действительно необходимо. Наведенные токи могут вызвать локальный нагрев, который является доминирующим эффектом от изменяющихся во времени полей.

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

Сообщалось о стимуляции нервных и мышечных тканей при 50–500 мТл (500–5000 Гс). Индуцированные токи выше 500 мТл (5000 Гс) могут нарушать сердечный ритм или вызывать фибрилляцию желудочков. Все эти эффекты вызваны индуцированными токами (IRPA, 1990).

Пределы электромагнитного воздействия и оценка

TLVs ACGIH относятся к плотности потока статического магнитного поля, которому, как считается, почти все работники могут подвергаться многократному воздействию день за днем ​​без неблагоприятных последствий для здоровья.

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

Таблица 1. ПДК для статических магнитных полей

ПДК	Описание
5 Г	Максимально допустимое поле для имплантированных кардиостимуляторов.
10 г	Часы, кредитные карты, магнитная лента, компьютерные диски могут быть повреждены.
30 г	Небольшие железные предметы представляют опасность с кинетической энергией.
20 000 г (2 т)	Потолочный предел для всего тела (выше этого предела воздействие не допускается).
80 000 г (8 т)	Все тело (специальная подготовка рабочих и контролируемая рабочая среда).
200 000 г (20 т)	Крайний верхний предел (выше этого предела воздействие не допускается).

Примечание. Средневзвешенное по времени время воздействия (TWA) обычно имеет значение только в случае очень сильного воздействия поля на все тело.

1 гаусс (Г) = 0,1 миллитесла (мТл)

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

Пороговые предельные значения (ПДК)

Оценка воздействия

Для оценки опасности и оценки воздействия от устройств, генерирующих ЭМП, необходимо выполнить измерение излучения ЭМП и сравнить его с соответствующими ПДК. Оценку следует проводить во время установки устройства, генерирующего ЭМП, после изменения рабочих параметров, увеличивающего опасность, или после ремонта, который может изменить рабочие параметры. Устройства, уже установленные, но не прошедшие оценку, должны быть оценены при первой же возможности. Если результаты первоначальных оценок значительно ниже TLV, дальнейший мониторинг не требуется, если только деятельность не будет изменена, чтобы ожидать повышенного воздействия. Если обнаружено, что результаты превышают уровни TLV или очень близки к TLV, следует проводить периодический мониторинг с частотой, достаточной для обеспечения адекватности мер контроля (обычно ежегодно).

Общие правила техники безопасности

Снаряды

Самая непосредственная опасность, связанная с магнитной средой, — это притяжение между магнитом и ферромагнитными предметами. Ферромагнитные металлические предметы могут стать летящими снарядами в сильном магнитном поле. Инструменты и баллоны со сжатым газом могут стать неуправляемыми и лететь, как ракеты, к магнитам в местах, где существуют сильные статические поля и сильные градиенты поля (изменения напряженности поля на расстоянии). Механические опасности зависят от напряженности поля и градиента поля, а также от того, насколько быстро напряженность магнитного поля изменяется с расстоянием. Очевидным действием по обеспечению безопасности является предотвращение попадания любого магнитного материала в рабочую зону.

Никогда не помещайте части тела между магнитом и незакрепленными металлическими предметами. Если большой предмет притягивается к магниту и ударяется о него, покиньте комнату, так как это может привести к гашению магнита. Сообщите своему руководителю. Если произошла травма, немедленно позвоните по номеру 911.

Электронные и металлические имплантаты

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

Проблемы с криогенным газом

Гашение

Гашение — это (обычно неожиданное) потеря сверхпроводимости в ЯМР-магните, приводящая к быстрому нагреву из-за увеличения сопротивления сильному току. Сверхпроводящий магнит содержит как жидкий гелий, так и жидкий азот. Значительный объем жидкого гелия будет преобразован в газ, если магнит погаснет. При гашении магнита сверхпроводящий магнит теряет способность к сверхпроводимости, и накопленная энергия высвобождается в виде тепла, которое выпаривает жидкий гелий. Газообразный гелий выходит из магнитного дьюара и заполняет комнату сверху вниз (гелий легче воздуха) и образует облако у потолка. Гашение очевидно: над магнитом образуется большое облако паров гелия, сопровождаемое громким свистящим звуком, который может создать атмосферу с недостатком кислорода. Если произошло гашение, немедленно покиньте помещение, включите пожарную сигнализацию, чтобы покинуть здание, и позвоните по номеру 9.11.

Гаситель может сильно повредить магнит, и в отверстие магнита втянутся железные предметы.

Биоэффекты

Сверхпроводящие магниты, использующие жидкий гелий и/или азот, представляют дополнительную проблему безопасности при обращении с криогенными жидкостями. Прямой контакт с кожей или тканями глаз может привести к серьезным повреждениям в виде обморожения (повреждение тканей от замерзания). Если обморожение сильное, может потребоваться ампутация поврежденных тканей. Вдыхание концентрированных криогенных газов может вызвать потерю сознания и (в конечном итоге) смерть от кислородного голодания (удушья).

Вентиляция помещения

В общем, пять полных воздухообменов в помещении считается достаточным для борьбы с небольшими разливами или выбросами криогенов. В случае крупного выброса персонал должен немедленно покинуть помещение и держать двери открытыми. Если существует риск катастрофического выброса, следует предусмотреть вспомогательную вентиляцию для предотвращения образования атмосферы с дефицитом кислорода.

Сосуды Дьюара

Контейнеры, используемые для транспортировки криогенов, должны быть изготовлены из металла. Стеклянные сосуды Дьюара могут легко взорваться, что может привести к серьезным травмам. Все сосуды Дьюара должны иметь соответствующие вентиляционные отверстия. Невентилируемые контейнеры могут лопнуть, когда жидкость нагреется и расширится. Необходимо постоянно контролировать все перемещения криогенов, чтобы предотвратить разливы или замерзание клапанов.

Средства индивидуальной защиты

При работе с криогенными веществами используйте изолированные перчатки, лицевые щитки или другие средства защиты глаз/лица от брызг, обувь с закрытыми носками и лабораторные халаты.

Вопросы электробезопасности

Источники питания

Хотя источники питания, используемые для ЯМР-магнитов, работают при относительно низком напряжении (около 10 В), потребляемый ток очень велик (около 100 А). Высокая сила тока чрезвычайно опасна при контакте с тканями человека.

Кабели, провода и разъемы

Все кабели, провода и разъемы должны быть должным образом изолированы, чтобы предотвратить контакт с рабочим током. Их следует регулярно осматривать, чтобы убедиться в целостности изоляции. Чтобы предотвратить искрение, никогда не разрывайте соединения, не отключив сначала питание цепи, с которой работаете.

Блокировка, маркировка

При работе с оборудованием, активируемым опасным источником энергии, необходимо соблюдать следующие процедуры блокировки и маркировки.

Прочие вопросы безопасности

Противопожарная защита

Держите поблизости огнетушитель класса C на случай возгорания электричества. Перед тушением электрического пожара необходимо отключить питание. Весь персонал должен быть обучен методам противопожарной защиты и эвакуации.

Проблемы с землетрясением

Магнитные узлы могут весить несколько тонн и должны быть закреплены, чтобы они не сдвинулись и не опрокинулись во время землетрясения; их размещение должно учитывать опору из конструкционной стали. Источники питания также должны быть закреплены, чтобы предотвратить движение во время землетрясения.

Акустический шум

Переключение градиентов поля вызывает изменение силы Лоренца, действующей на градиентные катушки, вызывая незначительные расширения и сжатия катушки. Поскольку переключение обычно происходит в слышимом диапазоне частот, результирующая вибрация вызывает громкие звуки (щелчки, удары или гудки). Это наиболее заметно для машин с сильным полем и методов быстрой визуализации, в которых уровни звукового давления могут достигать 120 дБ (А) (децибелы, взвешенные по шкале А), что эквивалентно реактивному двигателю на взлете; поэтому для всех, кто находится в комнате МРТ во время исследования, необходима соответствующая защита ушей.

Радиочастота

РЧ сама по себе не вызывает слышимых шумов (по крайней мере, для людей), поскольку современные системы используют частоты 8,5 МГц (система 0,2 T) или выше. Мощность ВЧ, которую можно производить, соответствует мощности многих небольших радиостанций (15–20 кВт). В результате, тепловые эффекты присутствуют от РЧ. В большинстве последовательностей импульсов нагрев незначителен и не превышает нормы Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США.

Существует опасность поражения электрическим током при использовании радиочастотных катушек, поэтому необходимо обеспечить надлежащее заземление и изоляцию катушек. Любое повреждение катушек или их кабелей требует немедленного внимания. Скручивание кабеля с катушкой может привести к ожогам любого, кто к ним прикоснется. Лучше всего избегать любого контакта с кабелями РЧ-катушек.

Средства контроля воздействия

Существует два подхода к контролю воздействия: использование технических средств контроля (например, экранирование) и административного контроля (например, средств индивидуальной защиты).

Технические средства управления

Экранирование

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

Защита от гашения

Чтобы избежать гашения, используйте систему датчика криогенного уровня для обнаружения гашения и запуска снижения тока и накопленной магнитной энергии для предотвращения перегорания проводника. Всегда заправляйте или обесточивайте магнит, если датчики показывают низкий уровень криогена.

Ниже приведены примеры инженерных средств контроля сверхпроводящих магнитов:

• Установка продувочного клапана для жидкого гелия, позволяющего выходить избытку газообразного гелия через выпускной клапан, проходящий через крышу
• Внутренние датчики для индикации низкого уровня жидкого гелия
• Визуальная и звуковая сигнализация
• Надежный контроль доступа, такой как запертые двери и ограниченный доступ только для уполномоченного персонала

Электрическое заземление

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

Блокировки

Области, в которых воздействие полей частотой 60 Гц на все тело превышает 25 кВ/м или 1 мТл (10 Гс), должны быть ограничены надежными средствами, такими как запирающиеся ограждения, блокировки или предохранительные цепи.

Административный контроль

Обозначение зоны

Пример линии 5 Гс, отмеченной цепочкой

В рамках процесса проектирования статическое магнитное поле в помещении должно быть определено путем измерений или расчетов, где опасны кардиостимуляторы (> 5 G) и кинетическая энергия опасности (> 30 G) будут существовать. Места, где может произойти чрезмерное облучение всего тела (>600 G), также должны быть идентифицированы.

Инструменты и намагничиваемые предметы не должны находиться в местах, где присутствуют повышенные статические магнитные поля.

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

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

В дополнение к предупреждающим знакам, размещенным на дверных проемах, требуется какой-либо другой способ обозначения линии 5 G вокруг магнита. Например, можно использовать нарисованную линию или ленту, расположенную на полу вокруг магнита, поле которого составляет 5 Гс. Другим примером является цепь, веревка или забор, обозначающие линию 5G вокруг магнита.

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

Знаки, предупреждающие об опасности

Предупреждающий знак должен быть размещен на входе в лаборатории или помещения, где магнитные поля превышают любой из перечисленных выше пределов. Зоны, где существуют потенциальные механические опасности, должны быть четко разграничены. Инструменты, баллоны со сжатым газом и другие изделия из магнитопроницаемого материала не должны находиться в таких местах.

Предупреждающие знаки должны быть размещены в местах, где напряженность магнитного поля может превышать 0,5 мТл (5 Гс), и/или в местах, где электрические поля с частотой 60 Гц превышают 1 кВ/м, что подтверждается измерениями или расчетами, предупреждающими лиц с кардиостимуляторами или другими медицинские электронные имплантаты, чтобы держаться подальше.

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

Люди с кардиостимуляторами не должны находиться в местах, где магнитные поля с частотой 60 Гц превышают 0,1 мТл (1 Гс), что подтверждается измерениями или расчетами.

Области, в которых воздействие полей частотой 60 Гц на все тело превышает 25 кВ/м или 1 мТл (10 Гс), должны быть ограничены надежными средствами, такими как закрытые корпуса, блокировки или предохранительные цепи.

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

Руководство по использованию предупреждающих знаков

Примеры предупреждающих знаков приведены ниже.

Оборудование, которое может создавать электрические поля частотой 60 Гц выше 2,5 кВ/м или магнитные поля выше 0,1 мТл (1 Гс), должно быть маркировано или вывешено предупреждающий знак.

Примеры этикеток показаны ниже.

Сигнальная лампа с подсветкой

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

Индивидуальная защитная одежда

При работе с криогенными веществами надевайте изолированные перчатки и лицевые щитки или другие средства защиты глаз/лица от брызг, обувь с закрытыми носками и лабораторные халаты.

Изолирующая одежда и оборудование должны использоваться в зонах, где электрические поля с частотой 60 Гц превышают 5 кВ/м, что подтверждается измерениями или расчетами. Изолирующие перчатки или, что предпочтительнее, инженерно-технические средства контроля (например, кожух или экран источника поля) должны использоваться во избежание контакта с объектами, которые могут подвергнуть персонал воздействию искр, связанных с напряженностью поля, превышающей или равной 5 кВ/м.

Ссылки

1. 10 CFR 851 Безопасность и здоровье работников — Министерство энергетики, § 851.23 Стандарты безопасности и гигиены труда.
2. Американская конференция государственных специалистов по промышленной гигиене (ACGIH) TLVs и BEIs – 2016 включено посредством ссылки 10 CFR 851 Безопасность и здоровье рабочих – Министерство энергетики, §851. 27.
3. ACGIH TLV и BEI  – 2012.
4. Руководство ICNIRP по ограничениям воздействия статических магнитных полей . Физика здоровья, Vol. 96(4):504-514. 2009.
5. Руководство ICNIRP по ограничению воздействия электрических полей, вызванных движением человеческого тела в статическом магнитном поле и изменяющимися во времени магнитными полями с частотой ниже 1 Гц. Физика здоровья, Vol. 106(3):418-425. 2014.
6. Плогг Х. и Миллер Г. Основы промышленной гигиены . Четвертое издание, глава 11: Неионизирующее излучение. 2001.
7. Временные рекомендации IPRA по пределам воздействия электрических и магнитных полей частотой 50/60 Гц . Физика здоровья, Vol. 58(1): 113-122. 1990.

Электромагнит | инструмент | Британика

электромагнит

Смотреть все СМИ

Ключевые люди:

Уильям Стерджен

Похожие темы:

магнитная цепь реле автоматический выключатель соленоид герконовое реле

Просмотреть весь связанный контент →

электромагнит , устройство, состоящее из сердечника из магнитного материала, окруженного катушкой, через которую проходит электрический ток для намагничивания сердечника. Электромагнит используется везде, где требуются управляемые магниты, например, в устройствах, в которых магнитный поток должен изменяться, реверсироваться или включаться и выключаться.

Технический проект электромагнитов систематизирован с помощью понятия магнитопровода. В магнитопроводе действует магнитодвижущая сила F, или F м, определяется как ампер-витки катушки, которая создает магнитное поле для создания магнитного потока в цепи. Таким образом, если катушка с н витков на метр несет ток х ампер, поле внутри катушки составляет х ампер на метр, а магнитодвижущая сила, которую она создает, составляет х ампер-витков, где л – длина катушки. Более удобно, что магнитодвижущая сила равна Ni, где N – общее количество витков в катушке. Плотность магнитного потока B эквивалентна в магнитной цепи плотности тока в электрической цепи. В магнитной цепи магнитным эквивалентом тока является общий поток, обозначаемый греческой буквой фи, ϕ , определяемый как ВА, , где А — площадь поперечного сечения магнитной цепи. В электрической цепи электродвижущая сила ( E ) связана с током, i, в цепи на E = Ri, где R – сопротивление цепи. В магнитопроводе F = rϕ, , где r — сопротивление магнитопровода и эквивалентно сопротивлению в электрической цепи. Сопротивление получается путем деления длины магнитного пути l на магнитную проницаемость, умноженную на площадь поперечного сечения A ; таким образом, r = л/мкА, греческая буква мю, мк, , символизирующие магнитную проницаемость среды, образующей магнитопровод. Единицы сопротивления – ампер-витки на Вебера. Эти концепции можно использовать для расчета сопротивления магнитной цепи и, следовательно, тока, необходимого через катушку, чтобы вызвать желаемый поток через эту цепь.

Несколько допущений, связанных с этим типом расчета, однако, делают его в лучшем случае лишь приблизительным руководством по проектированию. Воздействие проницаемой среды на магнитное поле можно представить себе как сжатие магнитных силовых линий внутрь себя. И наоборот, силовые линии, проходящие из области с высокой проницаемостью в область с низкой проницаемостью, имеют тенденцию расширяться, и это происходит в воздушном зазоре. Таким образом, плотность потока, которая пропорциональна количеству силовых линий на единицу площади, будет уменьшаться в воздушном зазоре из-за того, что линии выпирают или окаймляются по бокам зазора. Этот эффект будет увеличиваться для более длинных промежутков; грубые поправки могут быть сделаны для учета эффекта интерференции.

Также предполагалось, что магнитное поле полностью ограничено катушкой. На самом деле всегда существует некоторый поток рассеяния, представленный магнитными силовыми линиями вокруг внешней стороны катушки, который не способствует намагничиванию сердечника. Поток рассеяния обычно невелик, если проницаемость магнитного сердечника относительно высока.

Britannica Quiz

Электричество: короткие замыкания и постоянные токи

На практике магнитная проницаемость магнитного материала является функцией плотности потока в нем. Таким образом, расчет может быть выполнен для реального материала только в том случае, если доступна фактическая кривая намагничивания или, что более полезно, график μ против B, .

Наконец, конструкция предполагает, что магнитопровод не намагничен до насыщения. Если бы это было так, то плотность потока в воздушном зазоре в этой конструкции не могла бы быть увеличена, какой бы ток ни пропускался через катушку. Эти понятия более подробно раскрываются в следующих разделах, посвященных конкретным устройствам.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.

Подписаться сейчас

Соленоид обычно представляет собой длинную катушку, по которой течет ток, создавая магнитное поле. В более узком смысле это название стало обозначать электромеханическое устройство, которое производит механическое движение при подаче на него электрического тока. В своей простейшей форме он состоит из железного каркаса, охватывающего катушку, и цилиндрического плунжера, движущегося внутри катушки, как показано на рис. 1. Для источника переменного тока потери в железе в сплошном каркасе ограничивают КПД, и используется многослойный каркас. , который состоит из стопки тонких листов железа, нарезанных соответствующей формы и уложенных друг на друга со слоем изолирующего лака между каждым листом. Когда катушка находится под напряжением, плунжер перемещается в катушку за счет магнитного притяжения между ним и рамой, пока не коснется рамы.

Соленоиды переменного тока имеют тенденцию быть более мощными в полностью открытом положении, чем устройства постоянного тока. Это происходит из-за того, что начальный ток, высокий из-за индуктивности катушки, уменьшается за счет воздушного зазора между плунжером и корпусом. По мере закрытия соленоида этот воздушный зазор уменьшается, индуктивность катушки увеличивается, а переменный ток через нее падает. Если соленоид переменного тока заедает в открытом положении, катушка, скорее всего, сгорит.

Когда соленоид полностью открыт, он имеет большой воздушный зазор, и высокое сопротивление этого зазора поддерживает низкий поток в магнитной цепи для данной магнитодвижущей силы, и сила, действующая на плунжер, соответственно мала.