STOLBOV STUDY | ФИЗИКА для взрослых и детей

Сегодня на заводе

Как работает толщиномер?

Продолжим автомобильную тему, т.к. многим зашел пост о материалах, из которых изготовлен кузов авто. Сегодня поговорим о популярных устройствах – толщиномерах, которыми измеряют толщину покрытия на металле.

На самом деле толщиномер, можно сказать, относится к устройствам неразрушающего контроля – отдельной области науки и техники, занимающейся поиском дефектов и измерением свойств материалов без их разрушения. Рассмотрим, как он работает.

На самом деле устройство нехитрое и основано на известной нам еще со школы электромагнитной индукции. И здесь есть два разных принципа, по которым толщиномер определяет толщину покрытия на железе и на немагнитных цветных металлах.

Внутри устройства находится катушка, в которой генерируется переменный ток. А переменный ток, как мы знаем, создает переменное магнитное поле. Когда мы подносим прибор к железу, которое, как известно, является ферромагнетиком, оно из-за очень высокой магнитной проницаемости концентрирует магнитный поток внутри себя, и поле возле поверхности локально усиливается. Подробно о ферромагнетиках я рассказывал в большом посте.

Такое изменение магнитного поля возле поверхности железа фиксирует датчик, в котором находится еще одна – приемная – катушка. Переменное магнитное поле индуцирует в ней ток, и этот ток измеряется. Само лакокрасочное покрытие почти не влияет на магнитное поле, но создает расстояние между прибором и металлом. А магнитное поле быстро ослабевает по мере удаления от поверхности. Поэтому чем толще покрытие, тем дальше прибор находится от железа, тем слабее магнитное поле и тем слабее сигнал в приемной катушке.

Когда известна зависимость величины магнитного поля (или «приемного» тока) от расстояния, прибор калибруют и получают значения толщины покрытия.

В немагнитных металлах, таких как медь, алюминий, цинк и пр., такая схема не прокатит, т.к. магнитная проницаемость у них слабая, и сигнал будет слишком маленьким. Здесь работает другой принцип – вихретоковый.

Когда катушка с переменным током создает магнитное поле, оно, в свою очередь, порождает в металле вихревые токи, или токи Фуко. Об этих токах я рассказывал, когда мы разбирали принцип работы индукционной плиты. Эти вихревые токи создают собственное магнитное поле, которое влияет на магнитное поле катушки. То есть это возникающее поле как бы выталкивает поле, его породившее. Тем самым изменяется ток в генерирующей катушке.

Чем дальше от металла находится прибор (на расстоянии толщины покрытия), тем слабее возбуждаются вихревые токи. А дальше также калибруем прибор и связываем сигнал с толщиной покрытия.

Здесь стоит упомянуть важный фактор, влияющий на измерения, – скин-эффект, о котором я рассказывал здесь. Вихревые токи концентрируются не во всем объеме металла, а лишь в тонком приповерхностном слое. Толщина этого слоя тем меньше, чем больше частота возбуждающего тока. Поэтому вихретоковое определение толщины тонких покрытий проводится на высоких частотах. Так прибор становится более чувствителен к маленьким расстояниям.

Однако, при измерении толщины покрытия на магнитном материале (железе) переменное магнитное поле тоже возбуждает в нем вихревые токи, которые могут мешать измерениям. И в этом случае стоит задача их ослабить и «загнать» глубже в металл, чтобы они меньше влияли на поверхность, а значит – уменьшить частоту возбуждающего тока. Ну или проводить измерения с помощью постоянного магнита, как это делали в более старых приборах. В них просто магнит прижимался к кузову, а затем с помощью пружинки измерялась сила его отрыва, которая уменьшается с увеличением толщины немагнитного покрытия. Также можно использовать для этих целей датчики Холла, о которых я рассказывал здесь.

Вот в таких повседневных и относительно недорогих приборах кроется гениально простая школьная физика.

Дайджест постов за март-апрель

Всех поздравляю с Днём Победы и, надеюсь, вы хорошо отдыхаете!

Хоть и отдыхать перед рабочей неделей осталось немного, предлагаю вспомнить, о чем вы читали (а, может, пропустили) на этом канале в последние два месяца.

Самый эффективный способ нагрева вашей еды - о том, как работает индукционная плита и индукционный нагрев в принципе. А также разъяснение об опасности удара током кастрюли, стоящей на такой плите и о явлении скин-эффекта.

Большой и эксклюзивный рассказ о современном состоянии взорвавшейся атомной станции Фукусима-1 спустя 15 лет после аварии. Как проходит ликвидация из первых уст людей этим занимающихся.

Насколько безопасен ядерный реактор? О том, какие есть барьеры безопасности и каковы шансы их сломать.

Как ноутбук понимает, что вы его открыли? Рассказ об эффекте Холла и датчиков, работающих на его основе.

Самая первая авария на атомной станции. Что случилось во время самой мало упоминаемой, первой из трех аварий с потерей теплоносителя за историю атомной энергетики. И это не Чернобыль.

Почему оцинкованное железо не ржавеет? Основная суть электрохимической коррозии и защиты от нее (на примере железа и цинка)

Красивые картинки продуктов питания, и не только, полученные на электронном микроскопе.

Почему затонул Титаник? О расследовании металловедческих причин затопления. Хороший ли был металл корпуса и что могло пойти не так.

Почему тела расширяются при нагреве? Вряд ли кто-то задумывался об истинной причине термического расширения на атомном уровне. Рассказал и показал это на собственноручно сделанных анимациях.

В честь 40-й годовщины аварии на Чернобыльской АЭС 26 апреля рассказал об интересном явлении, происходящем с реактором во время снижения его мощности - одной из причин этой трагедии.

Из каких металлов сделан автомобиль и почему? О компоновке кузова металлами разной прочности так, чтобы удар был максимально безопасным.

В этот раз вышло продуктивненько, по сравнению с зимней подборкой. Приятного чтения!

Подборка за январь-февраль.

Металл автомобиля, спасающий жизни

Вы когда-нибудь задумывались, почему при попадании в ДТП внешние металлические элементы автомобиля так легко сминаются и доставляют владельцам много огорчений, и им приходится отдавать много денег на ремонт или вовсе сдавать в машину металлолом?

Это сделано неспроста. В рассказе про Титаник я упоминал об ударной вязкости материала, которая показывает, какая энергия требуется, чтобы его деформировать и разрушить. Пластическая деформация поглощает больше всего энергии при воздействии на металл, поэтому чем он более податлив к сминанию, тем больше энергии поглотит в первые доли секунд столкновения. А это очень важно для безопасности сидящего внутри человека.

Когда легковой автомобиль едет на скорости 100 км/ч при средней массе в 2 тонны, он имеет кинетическую энергию более 760 тыс. джоулей. Врезавшись в неподвижное тело, он испытает нагрузку, равную той, которую испытает при падении с 13 этажа. Поэтому жизненно важно для находящихся внутри людей, чтобы максимальное количество энергии удара передалось внешним элементам кузова, а оставшуюся энергию выдержала несущая конструкция – клетка, в которой сидит человек.

Поэтому сам несущий кузов делают из ультрапрочной стали, которая выдерживает максимальные нагрузки, не давая схлопнуться клетке, а внешние элементы, в том числе и навесные, изготавливают из мягкой стали или алюминия. Мягкая сталь, деформируясь, гасит большую часть энергии при ударе, а оставшуюся энергию должен выдержать прочный кузов.

Если бы внешние элементы были сделаны из высокопрочной стали, то, к несчастью работников сервисов кузовного ремонта, деформировались бы меньше, особенно на малых скоростях. Однако, большая часть энергии упруго передавалась бы на несущий кузов и на человека, сидящего в нём, который при ударе испытывал бы сильный толчок. А при высокой скорости энергия автомобиля настолько велика, что без её гашения за счёт пластической деформации даже самый высокопрочный кузов может не выдержать нагрузку.

На рисунке — разноцветная картинка с указанием, из какой стали сделан каждый элемент кузова на примере Ауди и нового нашумевшего гибрида Xiaomi (просто картинка понравилась, 2200 МПа это очень высокая прочность).

Всем хороших праздников!

Отравление ксеноном

Многие из вас знают, что ксенон – это тяжелый инертный газ, который используется в медицине в качестве ингаляционного наркоза, анестетика и успокоительного средства. Судя по заголовку, вы, наверное, думаете, что я сейчас буду рассказывать о том, что ксенон – это вредно, и им можно отравиться. На самом деле, как мы знаем, всё лекарство и всё яд – зависит только от дозировки, но отравить человека инертным газом, который не вступает в реакцию ни с чем, а, значит, не токсичен, – довольно сложная задача. Однако отравить ксеноном можно кое-что другое – ядерный реактор.

Да-да, снова здесь выпускник ядерного вуза рассказывает о ядерной физике, но сегодня, 26 апреля, на минуточку, 40-я годовщина аварии на Чернобыльской АЭС, поменявшей взгляд многих людей на этот источник энергии, и последствия которой, возможно, мы разгребаем до сих пор.

Сразу скажу, что рассказывать, что случилось 26 апреля 1986 года на этой станции, я не буду. Зачем мусолить тему, на которую уже сняли много фильмов, написали кучу книг и создали серию популярных игр. Сегодня поговорим об интересном явлении в работе ядерного реактора, которое стало одним из ключевых факторов, приведших к аварии, – о ксеноновом отравлении, или йодной яме.

Мы уже знаем (а если не знаем, то читаем здесь), что при делении ядер урана, которое нужно для производства энергии, образуется два осколка других элементов. Эти элементы могут быть какие угодно, но есть наиболее вероятные из них. Одним из них является изотоп йода-135 (кстати, о йоде и его влиянии на организм при аварии я писал тут). Этот изотоп живет недолго, и примерно через 6,5 часов его половина превращается в изотоп ксенона-135 (назвал период полураспада более простым языком). Образование йода и ксенона идет непрерывно при работе реактора, но проблема в том, что ксенон-135 очень сильно поглощает нейтроны, необходимые для поддержания ядерной реакции и работы реактора.

Когда реактор работает на полную мощность, у него внутри летает много нейтронов, и часть ядер образованного из йода ксенона-135, захватывая их, превращается в стабильный изотоп ксенона-136, который уже поглощает нейтроны гораздо меньше. То есть нейтронов хватает и чтобы делить ядра урана, и чтобы нейтрализовать «вредный» изотоп ксенона. Таким образом, при таком режиме количество образованного из йода-135 «вредного» ксенона-135 при делении урана равно количеству его нейтрализованных ядер – превращенных в «хороший» ксенон-136. И реактор работает нормально.

Но стоит только снизить мощность, как это было в день проведения эксперимента на Чернобыльской АЭС, баланс между хорошим и плохим ксеноном нарушается. При резком снижении мощности реактора, которая достигается путем внесения специальных стержней-поглотителей, количество нейтронов становится сильно меньше, а количество «вредного» ксенона-135, образованного еще во время нормальной работы реактора, остается большим. Нейтроны теперь поглощаются ксеноном в большей степени, чем участвуют в делении ядер урана, и ядерная реакция постепенно гаснет. Это и называется ксеноновым отравлением.

Это отравление обратимо и длится до тех пор, пока большее количество ядер ксенона-135 не распадется и не перестанет поглощать нейтроны (его период полураспада – 9,2 часа), а также пока не перестанет образовываться новый ксенон из большого количества йода-135, образованного на высокой мощности реактора. В естественных условиях это занимает около суток, и, благодаря относительно небольшому периоду полураспада этих элементов, из этой ситуации можно выйти, поэтому она и называется йодной ямой.

Кстати, реакторы типа тех, которые стояли на Чернобыльской АЭС, перестали строить после аварии. Они представляют собой не кастрюлю с горячей водой и топливом, как в современных реакторах, а множество каналов с ним, по которым прокачивается вода. И в этом есть свои нюансы в плане безопасности. Сейчас в России по остаточному принципу такие реакторы работают на трех станциях, построенных еще до аварии, – Курской, Смоленской и Ленинградской.

Анимация 2

Почему тела расширяются при нагреве?

Помните о том, что зазоры между рельсами делают для компенсации их термического расширения при перепадах температур на улице? Решение простое, но рабочее, ведь удлинение рельса длиной 25 м в диапазоне климатических температур средней полосы достигает примерно 1,8 см. И чем он длиннее, тем больше удлиняется. Правда в современных железных дорогах эти зазоры стали убирать, а расширение компенсировать другими технологиями. Об этом я писал здесь.

Сегодня спустимся на атомный уровень и рассмотрим вопрос расширения материалов в микроскопических масштабах. Я давно представлял себе механизм в голове, видел рисунки в книжках и на доске у преподавателя, а сейчас сделал, наконец, свои собственные анимации, так как в интернете мне ничего не нравится.

Все мы уже знаем, что в твердых телах есть кристаллическая решетка и ионы или молекулы (в зависимости от типа материала) сидят в своих фиксированных положениях и могут только колебаться вокруг них. С увеличением температуры эти колебания становятся интенсивнее, растут их частота и амплитуда, и рядом стоящие атомы начинают взаимодействовать друг с другом. Рассмотрим это взаимодействие подробнее.

Микроскопическая природа устроена так, что даже между незаряженными частицами (атомами или молекулами) возникает взаимодействие, которое по своей сути не симметрично. На малых расстояниях преобладает отталкивание, а на больших – притяжение, причем с увеличением энергии отталкивание растет быстрее, чем притяжение. Первая анимация, по сути, оживление объяснения термического расширения в учебнике по физике Перышкина за 8 класс, которое мне понравилось. Для простоты зафиксируем один атом, а второй будет колебаться рядом с ним на определенном расстоянии. Если при малых температурах колебания выглядят как обычно, то при нагреве их амплитуда растет, а колеблющийся атом, отталкиваясь от стоящего на месте сильнее, чем притягивается, отлетает на большее расстояние от положения равновесия, чем то расстояние, на которое он приблизился к неподвижному атому. Таким образом, возникает несимметричное колебание относительно положения, которое атом занимал при низкой температуре. А из-за того, что несимметричные колебания атомов энергетически невыгодны, возникает новое положение равновесия, немного сдвинутое относительно предыдущего, и расстояние между центрами колебаний атомов возрастает, а значит, тело увеличивается в размерах.

Еще одним более «вузовским» объяснением является рассказ об асимметрии потенциала взаимодействия и его потенциальной яме (анимация №2). Природу межатомного взаимодействия, описанную выше, можно изобразить в виде графика зависимости потенциальной энергии взаимодействия от расстояния между атомами. Видно, что на графике присутствует «яма», соответствующая отсутствию колебаний при температуре абсолютного нуля. Выбраться из этой ямы непросто. При увеличении энергии – поднятии атома вверх, он скатывается обратно в яму и начинает кататься туда-сюда, что и соответствует колебаниям атома при какой-то температуре. Из-за того, что яма несимметричная, и справа более пологий спуск, различаются и расстояния, пройденные атомом в ту и другую сторону. Получается, что центр колебаний атома при повышении температуры перестаёт находиться в точке минимума энергии (как это было при низких температурах) и сдвигается вправо. Расстояние между центрами колебаний, как и было на анимации №1, растёт, а значит, растут размеры тела.

Тема термического расширения не совсем простая, но более простого и наглядного объяснения, чем на приведенных анимациях, я еще не встречал. Пишите, какая из них вам больше всего понравилась. Можете пользоваться, если найдете их информативными.

P.S. Числа, приведенные на графиках, условны и не несут никакой информации, главное – суть.

Сегодня меня наградили грамотой!

Вот уже вторую пятницу подряд в моей довольно однообразной жизни происходит какая-то движуха.

Сегодня был день рождения компании. В этот день есть традиция награждать разных людей грамотами. Вот и до меня добрались. Правда, я не понял за что, написано за какие-то высокие производственные показатели.

С дебютом, получается.

Почему затонул «Титаник»?

10 апреля 1912 года британский королевский лайнер «Титаник» отправился в свой первый и последний рейс между двумя континентами через Атлантический океан. В ночь с 14 на 15 апреля он столкнулся с айсбергом и затонул в Северной Атлантике меньше чем за три часа. Погибло больше 1500 человек.

Историю вы и так знаете, фильм все смотрели, а я сегодня разберу металловедческую сторону вопроса и расскажу, почему столкновение с айсбергом привело к такому быстрому затоплению огромного судна. Хотя, возможно, вы и это уже знаете.

https://telegra.ph/Pochemu-zatonul-Titanik-04-15

А вот и обещанные вчерашние фотки с микроскопа: 1 - сахар, 2 - соль, 3 - сода, 4 - хлеб, 5 - плесень на хлебе, 6 - бумага, 7 - зубочистка, 8 - очередная муха во весь рост.

Пишите, что понравилось больше всего? Муха вне конкуренции, конечно 😁

Сегодня у меня получился детский день.

Днем с детьми смотрели в микроскоп всякую всячину, а вечером сходил в образовательный центр Ican, где у них проходило образовательное событие «100 вопросов взрослому».

Вещал детям 8-10 классов на тему трудности выбора на разных этапах жизненного пути. В их возрасте это как раз актуально.

Рассказал о своей профессии, чем занимаюсь и как я к этому пришел. Какие трудности выбора встречались на пути. Попутно объяснял базовые вещи из физики, с которыми связаны моя работа и образование.

По-моему, вышло очень неплохо. Ребята классные, активные и заинтересованные, хорошие вопросы задавали. Радует, когда такая обратная связь есть.