В технологических целях магнитные поля применяют в основном для:
- воздействия на металлические и заряженные частицы,
- омагничивания воды и водных растворов,
- воздействия на биологические объекты.
В первом случае магнитное поле применяют в сепараторах в целях очистки различных пищевых сред от металлических ферромагнитных примесей и в устройствах для разделения заряженных частиц.
Во втором — в целях изменения физико-химических свойств воды.
В третьем — для управления процессами биологической природы.
В магнитных сепараторах с помощью магнитных систем выделяют из сыпучей массы ферромагнитные примеси (стальные, чугунные и т. п.). Различают сепараторы с постоянными магнитами и электромагнитами. Для расчета подъемной силы магнитов используют приближенную формулу, известную из общего курса электротехники.
где Fм — подъемная сила, Н, S — поперечное сечение постоянного магнита или магнитопровода электромагнита, м2, В — магнитная индукция, Т.
По требуемой величине подъемной силы определяют необходимую величину магнитной индукции, при использовании электромагнита намагничивающую силу (Iw):
где I — ток электромагнита, A, w — число витков катушки электромагнита, Rм — магнитное сопротивление, равное
здесь lк — длина отдельных участков магнитопровода с постоянным сечением и материалом, м, μк — магнитная проницаемость соответствующих участков, Гн/м, Sк — поперечное сечение соответствующих участков, м2, S — сечение магнитопровода, м2, В — индукция, Т.
Магнитное сопротивление постоянно только для немагнитных участков цепи. Для магнитных участков величина RM находится с помощью кривых намагничивания, так как здесь μ величина переменная.
Сепараторы с постоянным магнитным полем
Наиболее просты в устройстве и экономичны сепараторы с постоянными магнитами, так как они не требуют дополнительной энергии для питания обмоток. Их используют, например, на хлебозаводах для очистки муки от ферропримесей. Суммарная подъемная сила магнитол в этих сепараторах, как правило, должна быть не менее 120 Н. В магнитном поле мука должна передвигаться тонким слоем, толщиной порядка 6—8 мм, со скоростью не более 0,5 м/с.
Сепараторы с постоянными магнитами имеют и существенные недостатки: подъемная сила их невелика и ослабевает со временем из-за «старения» магнитов. Сепараторы с электромагнитами не имеют этих недостатков, так как электромагниты, устанавливаемые в них, питаются постоянным током. Подъемная сила их значительно выше и может регулироваться током обмоток.
На рис. 1 представлена схема электромагнитного сепаратора для сыпучих примесей. Сепарируемый материал подается в приемный бункер 1 и по транспортеру 2 движется к приводному барабану 3, изготовленному из немагнитного материала (латунь и т. п.). Барабан 3 вращается вокруг неподвижного электромагнита постоянного тока 4.
Центробежная сила отбрасывает материал в разгрузочное отверстие 5, а ферропримеси под действием магнитного поля электромагнита 4 «прилипают» к ленте транспортера и отрываются от нее лишь после выхода из поля действия магнитов, попадая в разгрузочное отверстие для ферропримесей 6. Чем тоньше слой продукта на ленте транспортера, тем лучше осуществляется сепарация.
Магнитные поля можно использовать для разделения заряженных частиц в дисперсных системах. В основе этого разделения лежат силы Лоренца
где Fл — сила, воздействующая на заряженную частицу, Н, k коэффициент пропорциональности, q — заряд частицы, Кл, v — скорость частицы, м/с, Н — напряженность магнитного поля, А/м, а — угол между векторами поля и скорости.
Положительно и отрицательно заряженные частицы, ионы под действием сил Лоренца отклоняются в противоположные стороны, кроме этого частицы с разными скоростями также сортируются в магнитном поле в соответствии с величинами их скоростей.
Рис. 1. Схема электромагнитного сепаратора для сыпучих примесей
Устройства для омагничивания воды
Многочисленные исследования, проведенные в последние годы, показали возможность эффективного применения магнитной обработки водных систем — технической и природной вод, растворов и суспензий.
При магнитной обработке водных систем происходит:
- ускорение коагуляции — слипание взвешенных в воде твердых частиц,
- образование и усиление адсорбции,
- образование кристаллов солей при выпаривании не на стенках сосуда, а в объеме,
- ускорение растворения твердых тел,
- изменение смачиваемости твердых поверхностей,
- изменение концентрации растворенных газов.
Так как вода является активным участником всех биологических и подавляющего большинства технологических процессов, изменение ее свойств под действием магнитного поля с успехом используют в пищевой технологии, в медицине, химии, биохимии, а также в сельском хозяйстве.
С помощью локальной концентрации веществ в жидкости можно добиться:
- опреснения и улучшения качества природной и технологических вод,
- очистки жидкостей от взвешенных примесей,
- управления активностью питательных физиологических и фармакологических растворов,
- управления процессами селективного роста микроорганизмов (ускорение или угнетение скоростей роста и деления бактерий, дрожжей),
- управления процессами бактериального выщелачивания сточных вод,
- магнитной анастезиологии.
Управление свойствами коллоидных систем, процессов растворения и кристаллизации служит для:
- повышения эффективности процессов сгущения и фильтрации,
- уменьшения отложений солей, накипи и других инкрустаций,
- улучшение роста растений, повышение их урожайности, всхожести.
Отметим особенности магнитной обработки воды. 1. Магнитная обработка требует обязательного протекания воды с некоторой скоростью сквозь одно или несколько магнитных полей.
2. Эффект омагничивания не сохраняется вечно, а исчезает через некоторое время после окончания действия магнитного поля, измеряемое часами или сутками.
3. Эффект обработки зависит от индукции магнитного поля и ее градиента, скорости потока, состава водной системы и времени ее нахождения в поле. Отмечено, что между эффектом обработки и величиной напряженности магнитного поля прямой пропорциональности нет. Важную роль играет градиент магнитного поля. Это понятно, если учесть, что сила F, действующая на вещество со стороны неоднородного магнитного поля, определяется выражением
где x – магнитная восприимчивость единицы объема вещества, Н — напряженность магнитного поля, А/м, dH/dx – градиент напряженности
Как правило, значения индукции магнитного поля лежат в пределах 0,2—1,0 Тл, а градиента — 50,00—200,00 Тл/м.
Наилучшие результаты магнитной обработки достигаются при скорости течения воды в поле, равной 1—3 м/с.
О влиянии природы и концентрации веществ, растворенных в воде, известно пока мало. Установлено, что эффект омагничивания зависит от типа и количества солевых примесей в воде.
Приведем несколько конструкций установок для магнитной обработки водных систем с постоянными магнитами и электромагнитами, питаемыми током различной частоты.
На рис. 2. приведена схема устройства для омагничивания воды с двумя постоянными магнитами цилиндрической формы 3, Вода течет в зазоре 2 магнитопровода, образованного полым ферромагнитным сердечником 4, помещенном в корпус L Индукция магнитного поля составляет 0,5 Тл, градиент — 100,00 Тл/м Ширина зазора 2 мм.
Рис. 2. Схема устройства для омагничивания воды
Рис. 3. Устройство для магнитной обработки водных систем
Большое распространение получили аппараты, оснащенные электромагнитами. Аппарат такого типа представлен на рис. 3. Он состоит из нескольких электромагнитов 3 с катушками 4, вставленных в диамагнитный чехол 1. Все это располагается в железной трубе 2. В зазоре между трубой и корпусом, защищенным диамагнитным чехлом, протекает вода. Напряженность магнитного поля в этом зазоре 45 000—160 000 А/м. В других вариантах аппаратов этого типа электромагниты надеваются на трубу снаружи.
Во всех рассмотренных аппаратах вода проходит через сравнительно узкие зазоры, поэтому предварительно ее очищают от твердых взвесей. На рис. 4 приведена схема аппарата трансформаторного типа. Он состоит из ярма 1 с электромагнитными катушками 2, между полюсами которых проложена труба 3 из диамагнитного материала. В аппарате осуществляется обработка воды или пульпы переменным или пульсирующим током разной частоты.
Здесь описаны только наиболее характерные конструкции аппаратов, которые с успехом применяются в различных сферах производства.
Магнитные поля оказывают влияние также на развитие жизнедеятельности микроорганизмов. Магнитобиология — развивающаяся область науки, находит все большее практическое применение, в том числе и в биотехнологических процессах пищевых производств. Выявлено влияние постоянных, переменных и пульсирующих магнитных полей на размножение, морфолого-культуральные свойства, метаболизм, ферментативную активность и другие стороны жизнедеятельности микроорганизмов.
Воздействие на микроорганизмы магнитных полей независимо от их физических параметров приводит к фенотипической изменчивости морфолого-культуральных и биохимических свойств. У некоторых видов в результате обработки может изменяться химический состав, антигенная структура, вирулентность, резистентность к антибиотикам, фагам, УФ-облучению. Иногда магнитные поля вызывают прямые мутации, но чаще всего они влияют на экстрахромосомные генетические структуры.
Общепризнанной теории, объясняющей механизм магнитного поля на клетку, пока не существует. Вероятно, в основе биологического действия магнитных полей на микроорганизмы лежит общий механизм опосредственнго влияния через экологический фактор.