4.4. Подкласс 2.4. Феполи (комплексно-форсированные веполи)

Подкласс описывает способы применения магнитного поля, ферромагнитных частиц, магнитной и реологической жидкостей.

Стандарт 2.4.1. «Протофеполи»

Если дана вепольная система, ее эффективность может быть повышена путем использования ферромагнитного вещества и магнитного поля:

Пояснения.

1. Стандарт о применении ферромагнитного вещества, не находящегося в измельченном состоянии. Речь идет о «протофеполях», «полуфеполях» — структуре на пути к феполям.

2. Стандарт применим не только к простым веполям, но и к комплексным, а также к веполям, включающим внешнюю среду.

Пример 4.28. Магнитная подушка

Поезда на магнитной подушке левитирует за счет отталкивания одинаковых магнитных полюсов, при этом используется линейный двигатель. Его располагают или на поезде, или на пути, или там и там.

Пример 4.29. Шины автомобиля

Компания Goodyear разработала концепцию инновационных шин под названием Eagle-360, имеющих сферическую форму.

Шины прикреплены к автомобилю с помощью магнитной подвески (магнитной левитации)43. В каждом колесе установлен электромотор и аккумулятор, а оставшееся пространство заполнено армированным пенопластом.

Эти шины позволяет автомобилю двигаться во всех направлениях, что способствует лучшей маневренности и парковке в городских условиях. У них значительно меньший износ, так как колесо изнашивается по всей сферической поверхности.

В колесе установлено много датчиков, которые определяют состояние дороги и погодных условий и передают эти данные другим машинам и системе управления дорожным транспортом.

Шины имеют рисунок протектора, напоминающий структуру поверхности мозгового коралла (рис. 4.5а). Эта поверхность твердеет при сухой погоде и смягчается при влажной, обеспечивая оптимальное управление автомобилем и предотвращая аквапланирование.

Рис. 4.5. Концепция шины компании Goodyear

Рис. 4.6. Концепция автомобиля со сферическими шинами44

Пример 4.30. Удержание детали

Фиксация и ориентация деталей в магнитном поле. Например, винт удерживается на конце намагниченного наконечника отвертки.

Стандарт 2.4.2. Феполи

Чтобы повысить эффективность управления системой, необходимо перейти от веполя или «протофеполя» к феполю, заменив одно из веществ феррочастицами (или добавив феррочастицы) — стружку, гранулы, зерна и т. д. — и использовав магнитное или электромагнитное поле. Эффективность управления повышается с увеличением степени дробления феррочастиц, поэтому развитие феполей идет по линии «гранулы — порошок — мелкодисперсные феррочастицы». Эффективность повышается также с увеличением степени дробления вещества, в которое введены феррочастицы. Развитие здесь идет по линии «твердое вещество — зерна — порошок — жидкость»:

Пояснения.

1. Переход к феполям можно рассматривать как совместное применение двух стандартов-2.4.1 (введение ферровещества и магнитного поля) и 2.2.2 (дробление вещества).

2. Превратившись в феполь, вепольная система повторяет цикл развития веполей — но на новом уровне, так как феполи отличаются высокой управляемостью и эффективностью. Все стандарты, входящие в группу 2.4, можно считать своего рода «изотопами» нормального ряда стандартов (группы 2.1—2.3). Выделение «фепольной линии» в отдельную группу 2.4 оправдано (во всяком случае, на этом этапе развития системы стандартов) исключительным практическим значением феполей. Кроме того, «фепольный ряд» удобен как тонкий исследовательский инструмент для изучения более грубого «вепольного ряда» и прогнозирования его развития.

Пример 4.31. Терапия

К больным клеткам осуществляется селективная доставка магнитных наночастиц. Лечение осуществляется с помощью гипертермии (нагрев локальных мест), воздействуя на доставленные магнитные частицы, например, токами высокой частоты45.

Пример 4.32. Обработка скважины

Для повышения эффективности обработки скважины в пласт закачивают ферромагнитную жидкость с ферромагнитными частицами и поверхностно-активным веществом и воздействуют на пласт вращающимся магнитным полем46.

Стандарт 2.4.3. Магнитная жидкость

Эффективность феполей может быть повышена путем перехода к использованию магнитных жидкостей — коллоидных феррочастиц, взвешенных в керосине, силиконе или воде. Стандарт 2.4.3 можно рассматривать как предельный случай развития по стандарту 2.4.2.

Пример 4.33. Биологическая магнитная жидкость

Биологическая магнитная жидкость включает магнитную коллоидную дисперсную фазу. Она распределена по всей жидкой дисперсионной среде. Дисперсная фаза может состоять из магнитных частиц, покрытых сшитыми, биологически совместимыми полимерами.

Биологически совместимые полимеры могут быть связаны посредством ковалентных связей с биологически активными макромолекулами. Это может быть достигнуто путем ковалентного связывания иммуноглобулина с биологически совместимыми полимерами, а затем присоединения к иммуноглобулину антител с предопределенной специфичностью.

Эти антитела с помощью магнитные частицы могут быть нацелены на желаемые клетки для различных медицинских применений.

Магнитные частицы могут состоять из ядер магнетита с покрытиями кобальта или кобальта и бора. Кроме того, магнитные частицы могут быть изготовлены из кобальта и бора, причем бор находится в концентрации, достаточной для активации излучения.

Магнитный коллоид может быть образован путем включения биологически совместимого полимера в коллоид, который образуется путем восстановления магнитной металлической соли.

Коллоид преимущественно получают в многостадийном процессе для достижения очень однородных размеров частиц. Магнитный коллоид может быть также получен путем образования биологически несовместимого магнитного коллоида и медленного добавления коллоида к энергичному биологически совместимому полимеру.

Эти биологические магнитные жидкости полезны, например, при отделении раковых клеток от нормальных клеток в трансплантатах костного мозга, а также и в будущей области технологии переноса генов, а также в очистке геномного материала47,.48

Пример 4.34. Датчик уровня жидкости

Датчик измерения уровня жидкости, содержит корпус, выполненный в виде трубы, в котором коаксиально установлен полый стержень, образующий с корпусом герметичную полость, в которой размещена токопроводящая обмотка, расположенная на поверхности стержня и выполненная в виде одной или нескольких секций витков, причем каждая секция соединена электрически с приемником сигналов и содержит более одного витка, а поплавок установлен внутри стержня и содержит носитель, выполненный из материала с запасом плавучести относительно измеряемой среды.

Носитель имеет закрытую или открытую полость, в которой размещена магнитная жидкость.

Датчик, устанавливаемый в емкости для измерения, например, уровня нефти, работает следующим образом (рис. 4.7). В исходном положении при отсутствии в емкости нефти поплавок 6 с магнитной жидкостью 9 находится в крайнем нижнем положении. При повышении уровня нефти поплавок 6 с магнитной жидкостью 9 начинает перемещаться внутри стержня 2. Магнитная жидкость 9 попадает в магнитное поле, создаваемое измерительной обмоткой 4, намотанной на поверхность стержня 2. При этом возникает более сильное магнитное поле ориентированных частиц жидкости, которое воздействует на приемник сигналов 5, измеряя уровень жидкости в резервуаре.

Для контроля над ограничением налива жидкости в закрытый резервуар используют измерительную обмотку 4 из двух витков (или двух секций). Когда поплавок 6 доходит до уровня нижнего витка (или нижней секции), изменяя индуктивность магнитного поля, поступает предупредительный сигнал на приемник сигналов, а когда поплавок 6 дойдет до верхнего витка (или верхней секции), поступает сигнал на отключение налива жидкости49.

Рис. 4.7. Датчик

1 — корпус; 2 — полый стержень; 3 — герметичная полость; 4 — токопроводящая обмотка; 5 — приемник сигнала; 6 — поплавок; 7 — носитель; 8 — полость; 9 — магнитная жидкость.

Стандарт 2.4.4. Использование капиллярно-пористых структур в феполях

Эффективность феполей может быть повышена за счет использования капиллярно-пористой структуры, присущей многим фепольным системам.

Пример 4.35. Магнитная пена

Описываются разные варианты магнитных пен в жидком и твердом состоянии50.

Магнитная пена может существенно повысить эффективность сбора гидрофобных загрязнений с поверхности воды или твердого тела, например, для удаления тонкой нефтяной пленки с водной поверхности. Жидкая магнитная пена гидрофобна и может сохранять на воде устойчивость в течение десятков минут, в то время как процесс всасывания нефти в пену длится несколько минут. Быстрое всасывание нефти пеной дает возможность практически сразу собирать и удалять с поверхности воды пену с помощью магнитных подборщиков, а высокая скорость генерации пены — наносить пену повторно. Пена может производиться в больших количествах на месте удаления загрязнения (например, морских судах или в портах), что является особенно актуальным, поскольку в соответствии с рядом соглашений многие порты должны быть оборудованы оборудованием и устройствами для сбора разлитой нефти51.

Пример 4.36. Магнитная пена Солнца

По данным полученным от зондов Voyager 1 и Voyager 2 ученые пришли к выводу, что на границе солнечной системы имеются большие магнитные пузыри, образующие магнитную пену. Каждый пузырь имеет диаметр около 16 млн км (расстояние от Земли до Солнца).

Стандарт 2.4.5. Комплексные феполи

Если нужно повысить эффективность управления системой путем перехода к феполю, а замена веществ феррочастицами недопустима, переход осуществляют построением внутреннего или внешнего комплексного феполя, вводя добавки в одно из веществ:

Пример 4.37. Цементный раствор

Для улучшения качества цементного камня в цементный раствор вводят наноферромагнитные добавки в количестве 0, 03—0,07% и воздействуют магнитным полем52.

Пример 4.38. Химические реакции

Скорость протекания химических реакций можно увеличить, если в химические реагенты ввести ферромагнитные частицы и воздействовать электромагнитным полем53.

Стандарт 2.4.6. Феполи на внешней среде

Если нужно повысить эффективность управления системой путем перехода от веполя к феполю, а замена веществ феррочастицами (или введение добавок в вещества) недопустима, то феррочастицы следует ввести во внешнюю среду и, действуя магнитным полем, менять параметры среды, а следовательно, управлять находящейся в ней системой (ст. 2.4.3):

Пример 4.39. Развитие эмбриона птицы

Для более интенсивного развития эмбриона и увеличения выводимости цыплят на яйцо воздействуют магнитным полем.

Предложен способ и устройство для воздействие постоянным магнитным полем54.

Воздействие переменным магнитным полем55.

Воздействие вращающимся электромагнитным полем. Для этого коробку с яйцами помещают в статор электродвигателя56.

Пример 4.40. Магнито-абразивное полирование (МАП)

Эффективная обработка абразивным инструментом осуществляется с помощью введения в качестве обрабатывающей внешней среды ферромагнитный абразив и магнитного поля, управляя усилием прижима каждого зерна по отдельности57.

В результате достигается очень высокое качество поверхности. На операциях финишного полирования пластин монокристаллов кремния (подложки для производства интегральных схем) процесс МАП с использованием ферроабразивного порошка «железо-алмаз» обеспечивает шероховатость поверхности с высотой неровностей менее 20 ангстрем, т. е. МАП позволяет формировать поверхность с величиной неровностей в 2…4 атомных слоя.

Стандарт 2.4.7. Использование физических эффектов

Если дана фепольная система, ее управляемость может быть повышена за счет использования физических эффектов.

Пример 4.41. Насос

Действие насоса основано на эффекте Кюри.

Рабочий ход поршня, нагнетающего перекачиваемую среду, совершается под действием магнита. В верхнем положении поршня магнит нагревается солнечными лучами, подаваемыми концентраторами через прозрачную крышку цилиндра, до температуры выше точки Кюри. Магнитная сила исчезает, и поршень опускается под действием силы тяжести. При этом открывается обратный клапан и перекачиваемая среда вытесняется в надпоршневое пространство. Здесь она охлаждает магнит, его сила вновь появляется и процесс повторяется58.

Стандарт 2.4.8. Динамизация

Если дана фепольная система, ее эффективность может быть повышена путем динамизации, то есть перехода к гибкой, меняющейся структуре системы:

Пример 4.42. Измерение толщины

Толщину стенок полых изделий из немагнитных материалов измеряют, вводя в изделие надувную оболочку, покрытую ферромагнитной пленкой, обладающей незначительным магнитным сопротивлением.

Оболочку раздувают сжатым газом, пока она плотно не прижмется к внутренней поверхности изделия. На наружной поверхности изделия установлен индуктивный преобразователь с незамкнутой цепью.

Прижатая к внутренней поверхности ферромагнитная поверхность через стенку изделия замыкает магнитную цепь преобразователя.

По величине магнитного сопротивления, фиксируемого измерительной схемой, судят о толщине стенки изделия в месте установки преобразователя (рис. 4.8)59.

Рис. 4.8. Измеритель толщины. А. с. 792 080

1 — эластичная оболочка; 2 — ферромагнитное покрытие; 3 — контролируемое изделие; 4 — индуктивный преобразователь с незамкнутой магнитной цепью; 5 — измерительная схема.

Стандарт 2.4.9. Структуризация

Если дана фепольная система, ее эффективность может быть повышена переходом от полей однородных или имеющих неупорядоченную структуру к полям неоднородным или имеющим определенную пространственную структуру (постоянную или переменную):

Пример 4.43. Магнитная формовка

На 35-м Всемирном конгрессе литейщиков проф. А. Виттмозер впервые сделал доклад о магнитной формовке. При данном способе изготовления формы применяется ферромагнитные частицы размером 0,3—0,5 мм. После уплотнения формы вибрацией она помещается в постоянное магнитное поле, которое обеспечивает магнитную связь между частицами наполнителя, что придает форме необходимую прочность, предотвращая ее разрушение при заливке металла. Магнитная формовка получила применение в США, Японии и в странах Западной Европы для производства серийных отливок из различных сплавов. Швейцарская фирма «Brown Bovery» организовала серийное производство полуавтоматических установок магнитной формовки.

Пример 4.44. Литейная форма

Для приготовления литейной формы в опоку устанавливают форму и заполняют предварительно намагниченным ферромагнитным формовочным материалом и воздействуют переменным магнитным полем, уплотняя формовочный материал.

Переменное магнитное поле, взаимодействуя с формовочным материалом в опоке, приводит его в псевдотекучее состояние. При этом происходит равномерное распределение формовочного материала по объему опоки, распадаются отдельные слипшиеся комки, материал заполняет пустоты, узкие пазы, полости модели и уплотняется60.

Стандарт 2.4.9.1. Структуризация

Если веществу, входящему в феполь (или могущему войти в феполь), должна быть придана определенная пространственная структура, то процесс следует вести в поле, со структурой, соответствующей требуемой структуре вещества:

Пример 4.45. Программируемые макароны

В MIT научились программировать форму макаронных изделий. Для этого используются два слоя желатина с разной плотностью. Более плотный слой впитывает в себя больше влаги и сильнее разбухает, изгибая пластину пасты (макаронного изделия). Сверху желатина нанесли полоски целлюлозы, практически не впитывающей влагу. Окончательная форма макаронного изделия определялась узором этих полосок (они могли располагаться параллельно, радиально, на отдельных участках пластины пасты) и формой пасты (круг, прямоугольник и т. д). Форма приобреталась при опускании изделия в горячую воду. Такой подход сокращает расходы на доставку. В упаковке с обычной формой пасты 67% объема занимал воздух61.

В данном изобретении обошлись без феррочастичек и магнитного поля, поэтому, строго говоря, это не данный стандарт, а просто структуризация.

Стандарт 2.4.10. Согласование ритмики в феполях

Если дана «протофепольная» или фепольная система, ее эффективность может быть повышена согласованием ритмики входящих в систему элементов.

Пример 4.46. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР)

Научное открытие №85 «Установлено неизвестное ранее явление квантовых переходов между электронными энергетическими уровнями парамагнитных тел под влиянием переменного магнитного поля резонансной частоты (явление электронного парамагнитного резонанса)».

ЭПР — это отклик магнитных атомов, молекул или электронов на радиоволны. Он имеет резонансный характер. Резонанс возникает, когда частота радиоволны совпадает с частотой вращения магнитного момента атома. Последняя зависит от силы внешнего магнитного поля и от электрических и магнитных микрополей в самом веществе. Поэтому, меняя силу поля, нетрудно создать условия для парамагнитного резонанса. Тело начнет сильно поглощать, преломлять и отражать радиоволны. Наблюдая любое из этих явлений, легко установить присутствие в нем даже ничтожного количества магнитных частиц и, самое главное, определить тончайшие особенности структуры микрополей внутри вещества, что невозможно сделать другими физическими методами. Благодаря этому ЭПР широко используется в физике твердого тела, ядерной физике, химии (для изучения обширного класса веществ, называемых радикалами), биологии, медицине, технике. В качестве примеров можно привести спектрометр62, магнетометр63.

На основе явления резонансного поглощения СВЧ излучения создан, например, квантовый парамагнитный усилитель (мазер), использующийся для осуществления дальней космической связи, работают гигантские радиоастрономические интерферометры, служащие для изучения звездных источников радиоизлучения. На ЭПР основаны поиск и технологическая проверка веществ, составляющих основу квантовых генераторов и усилителей. Испытание активного вещества квантового генератора с помощью ЭПР позволяет заранее определить пригодность его для работы.

Пример 4.47. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)

Например, явление ЯМР широко используются в физике, химии и медицине, пример — магнитно-резонансная томография (МРТ).

Это явление используется как расходомер64, для исследования скважин (ядерно-магнитный каротаж)65 и т. д.

Стандарт 2.4.11. Эполи

Если введение ферромагнетиков или намагничивание затруднены, следует воспользоваться взаимодействием внешнего электромагнитного поля с контактно подведенными или неконтактно индуцированными токами или взаимодействием этих токов между собой.

Пример 4.48. Сепарация частиц

При добыче золота применяют гравитационные методы, однако частицы металла меньше 0,2 мм практически не улавливаются.

Для улавливания маленьких частиц золота используют электродинамический сепаратор путем воздействий двух импульсных магнитных полей. Причем второй импульс подается с задержкой.

Устройство имеет две соосные катушки66.

Пример 4.49. Электромагнитная катапульта

Для разгона самолета на авианосце используются катапульты. Для этих целей сейчас используются паровые катапульты. Основной принцип таких катапульт это движение поршня с помощью пара.

Уже давно задумывались о другом, более современном принципе действия катапульт. Стали разрабатывать электромагнитную катапульту. Принцип ее действия — линейный электродвигатель.

В 2015 году испытали такую систему для авианосца Джеральд Форд (Gerald R. Ford). Она получила название EALS (Electromagnetic Aircraft Launch System).

Задача 4.3. Контроль состояния троса

Условие задачи

Контроль состояния троса лифта проводится его периодическим осмотром, что требует выведения лифта из эксплуатации. Во время осмотра выявляют обрывы прядей троса. Этот трудоемкий способ не гарантирует обнаружение внутренних повреждений.

Как быть?

Разбор задачи

Использовать стандарт 2.4.11.

Решение

Контроль состояния троса выполняется с помощью измерения электрического сопротивления троса.

Электрическое сопротивление каждого троса пропорционально площади его поперечного сечения.

Такое решение устраняет необходимость выведения лифта из эксплуатации и повышает качество и надежность проверок троса. Электрическое сопротивление каждого троса пропорционально площади его поперечного сечения, что является индикатором его оставшегося ресурса. Система Pulse в лифтах OTIS Gen 2 постоянно контролирует электрическое сопротивление троса, чтобы определить момент, когда его следует заменить. Также система считывает текущую загрузку кабины, так как сила натяжения троса влияет на его сопротивление.

Стандарт 2.4.12. Рео-жидкость

Особая форма эполей — электрореологическая суспензия (взвесь тонкого кварцевого порошка, например в толуоле) с управляемой вязкостью. Если неприменима феррожидкость, может быть использована электрореологическая жидкость.

Пример 4.50. Гидравлическая муфта

Для управления пробуксовкой ведущих колес транспортного средства с гидравлической муфтой блокировки дифференциала в качестве рабочей жидкости применяется электрореологическая жидкость, а элементы муфты электроизолированы между собой67.

Пример 4.51. Гидродинамическая передача

Регулировка гидродинамической передачей может быть улучшена, если в качестве рабочей жидкости используют электрореологическую жидкость и управление осуществляется изменением напряжения68.