Номер 643, страница 95 - гдз по физике 9 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Магнитное поле. Направление линий магнитного поля тока. Действие магнитного поля на электрический ток. Индукция магнитного поля. Электромагнитное поле - номер 643, страница 95.

643. Почему струя расплавленного металла при пропускании по ней электрического тока сужается? Какое применение может иметь это явление в металлургии?

Почему струя расплавленного металла при пропускании по ней электрического тока сужается?

Струя расплавленного металла является проводником электрического тока. Эту струю можно мысленно представить как совокупность множества параллельных друг другу элементарных проводников (струек тока), по которым течет ток в одном и том же направлении.

Согласно закону Ампера, каждый проводник с током создает вокруг себя магнитное поле. Взаимодействие этих параллельных токов приводит к их взаимному притяжению. На каждую элементарную струйку тока со стороны магнитного поля, созданного всеми остальными струйками, действует сила Ампера $ \vec{F_A} $.

Направление этой силы можно определить по правилу левой руки. Если расположить левую руку так, чтобы линии магнитной индукции $ \vec{B} $ входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по току $ I $, то отогнутый на 90 градусов большой палец укажет направление силы. Для любого элементарного проводника внутри струи эта сила будет направлена перпендикулярно току, к центральной оси струи.

В результате суммарного действия этих сил, направленных к центру, на струю жидкого металла действует всестороннее сжимающее давление. Это давление и приводит к её сужению. Данное явление носит название пинч-эффект (от английского слова "pinch" — сжатие, сужение).

Ответ: Струя расплавленного металла сужается из-за пинч-эффекта: параллельные струйки тока, из которых состоит общая струя, притягиваются друг к другу под действием сил Ампера, создавая магнитное давление, направленное к оси струи и сжимающее ее.

Какое применение может иметь это явление в металлургии?

Пинч-эффект находит широкое применение в современной металлургии, особенно в процессах, где требуется бесконтактное воздействие на расплавленный металл.

1. Электромагнитные насосы и перемешиватели. Создавая бегущее или вращающееся магнитное поле, можно заставить жидкий металл перемещаться по трубам или перемешиваться в плавильных печах без использования механических частей, которые могли бы загрязняться или разрушаться при контакте с горячим и химически активным расплавом.

2. Электромагнитная кристаллизация и литье. Пинч-эффект позволяет формировать и удерживать расплавленный металл в определенной форме без контакта со стенками кристаллизатора. Это улучшает качество поверхности получаемого слитка, его микроструктуру и позволяет избежать загрязнений материала стенок.

3. Левитационная плавка. При достаточно сильных токах и специальной конфигурации катушек индуктора можно не только сжать, но и удержать металл в "подвешенном" состоянии в вакууме или инертной атмосфере. Это позволяет плавить и очищать особо чистые, тугоплавкие и химически активные металлы (например, титан, цирконий), полностью исключая их контакт с какими-либо материалами.

4. Электрошлаковый переплав (ЭШП). В этом процессе пинч-эффект играет важную роль, способствуя отрыву капель расплавленного металла от расходуемого электрода и их прохождению через слой шлака, что обеспечивает высокую степень очистки металла от неметаллических включений и примесей.

Ответ: Явление пинч-эффекта используется в металлургии для бесконтактного удержания, перемещения, перемешивания и формования расплавленных металлов (в электромагнитных насосах, при левитационной плавке, электромагнитном литье), а также для рафинирования (очистки) металлов (например, в установках электрошлакового переплава).