Формула магнитного потока. Электромагнитная индукция-понятие.

Формула магнитного потока. Электромагнитная индукция-понятие. Анемометр

Основное отличие – магнитный поток от плотности магнитного потока

В магнетизме несколько физических величин, таких как магнитный поток, плотность магнитного потока и напряженность магнитного поля, используются для объяснения поведения или влияния магнитных полей. Некоторые люди используют эти термины взаимозаменяемо.

Но они имеют разные и особые значения. главное отличие между магнитным потоком и плотностью магнитного потока является то, что Магнитный поток является скалярной величиной, тогда как плотность магнитного потока является векторной величиной.

Магнитный поток является важным скалярным значением в магнетизме. Обычно магнитные поля визуализируются с использованием линий магнитного поля. Величина поля представлена ​​плотностью силовых линий. Стрелки линий поля представляют направление магнитного поля.

Что касается линий магнитного поля, магнитный поток через данную поверхность прямо пропорционален общему количеству линий поля, проходящих через нее. Однако линии поля не являются реальными линиями в пространстве. Это просто воображаемые линии, используемые в качестве простой модели для объяснения магнитных влияний движущихся заряженных частиц и магнитных материалов.

Магнитный поток в постоянном магнитном поле можно математически выразить как, = B.S.

ɸ – магнитный поток через векторную поверхность, B – плотность магнитного потока, а S – площадь поверхности. Другими словами, магнитный поток через данную площадь поверхности равен скалярному произведению (точечному произведению) плотности магнитного потока и вектора площади.

В более общем смысле магнитный поток можно выразить как ɸ = ɸ B.dS.

Легко показать, что магнитный поток через любую замкнутую поверхность равен нулю. Но магнитный поток через открытую поверхность может быть либо нулевым, либо ненулевым. Электродвижущая сила создается изменяющимся магнитным потоком, который проходит через проводящую петлю.

Это явление является основным принципом работы генераторов. Согласно Закон индукции Фарадеявеличина электродвижущей силы, индуцированной в проводящей петле изменяющимся магнитным потоком, равна скорости изменения магнитного потока, который связан с петлей.

Магнитный поток, который также известен как «магнитная индукцияЭто еще одна важная величина в магнетизме. Плотность магнитного потока определяется как величина магнитного потока через единицу площади, расположенную перпендикулярно направлению магнитного поля. Это векторная величина, обычно обозначаемая B.

Единица СИ магнитного потока равна Тесла (Т), Гаусс (G) Единица измерения плотности магнитного потока, измеряемая C.G.S. он также широко используется, особенно когда речь идет о слабых плотностях магнитного потока, потому что один Тесла равен 10000 Г.

Плотность магнитного потока в данной точке (δB→), произведенный текущим элементом, определяется уравнением Био-Савара.

Здесь я ток, δl→ является вектором с бесконечно малой величиной, а rˆ является единичным вектором r. Это очень важное уравнение при работе с магнитными полями, создаваемыми токонесущими проводами или цепями. Плотность магнитного потока, создаваемого проводником с током, зависит от нескольких факторов, таких как геометрия провода, величина и направление тока и положение точки, в которой должна быть найдена плотность магнитного потока.

Плотность магнитного потока (B) внутри материальной среды равна магнитной проницаемости этой среды (µ), умноженной на напряженность магнитного поля (H). Это может быть выражено как B = µH. Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов увеличивается до определенного значения при увеличении напряженности приложенного магнитного поля.

После этого оно уменьшается по мере увеличения напряженности поля. Таким образом, плотность магнитного потока также приближается к уровню насыщения и затем уменьшается при дальнейшем увеличении напряженности магнитного поля в соответствии с уравнением B = µH. Это явление известно как магнитное насыщение.

10 выполнение измерений

10.1 Единичные
пробы воды на мутность отбирают ежедневно в сроки наблюдений за уровнем воды:

— 1 раз в 8 ч
при односрочных наблюдениях;

— 2 раза в 8 и
20 ч при двухсрочных.

При наличии
суточного хода мутности пробы берут учащенно, т.е. несколько раз в сутки. Сроки
отбора проб назначают в соответствии с водным режимом.

10.1.1
Односрочные наблюдения за мутностью проводят на всех реках и каналах в период
устойчивой летней и зимней межени и в период половодья только на больших реках
при плавном нарастании уровня.

10.1.2
Двухсрочные наблюдения за мутностью проводят в периоды половодья и паводков на
равнинных реках с площадями водосборов более 1000 км2 и на горных
реках с водосборами более 5000 км2 при отсутствии в течение суток
резких подъемов и спадов уровня воды.

10.1.3
Многосрочные наблюдения за мутностью проводят при наличии резких колебаний
уровня воды в течение суток на малых реках. Пробы следует брать учащенно также
на участках рек с зарегулированным водохранилищами режимом в периоды попусков.

10.1.4 В
соответствии с наставлением [ 4]
и методическими рекомендациями [ 5]
определения ежедневной мутности не проводят в периоды устойчивой летней и
зимней межени, когда значение мутности не превышает 50 г/м3 и
суммарный за этот период сток взвешенных наносов, вычисленный по данным
многолетних наблюдений, менее 5-10 % годового.

10.1.5
Единичные пробы воды на мутность отбирают в постоянном месте. Пробы берут в
гидрометрическом створе на одной или двух скоростных вертикалях, расположенных
в стрежневой зоне потока.

10.2
Контрольную единичную пробу на мутность отбирают при каждом измерении расхода
взвешенных наносов помимо единичных проб, отбираемых в сроки наблюдений.
Контрольные пробы отбирают в постоянном месте отбора единичных проб, в тех же
точках и вертикалях, тем же способом и прибором, которыми отбирают единичные
пробы.

10.3 Пробы
воды на мутность по живому сечению для измерения расхода взвешенных наносов
отбирают в основном гидростворе на всех скоростных вертикалях одновременно с
измерением скоростей течения, выполняемым при измерении расходов воды.

10.4 Различают
точечные, интеграционные и суммарные способы отбора проб воды на мутность.

10.4.1
Точечные способы основаны на определении мутности по результатам отбора проб в
точке.

10.4.2 Интеграционный
способ заключается в отборе проб батометром путем перемещения последнего по
глубине (от поверхности до дна и обратно) так, чтобы поступление поды в
батометр происходило непрерывно.

10.4.3 В
зависимости от глубины потока Н и
средней мутности в живом сечении единичные и контрольные единичные пробы на
мутность отбирают основным (в двух точках по глубине вертикали 0,2 Н и 0,8 Н),
одноточечным (на глубине 0,6 Н
или 0,5 Н) или интеграционным
способами.

10.4.4 При
измерении расхода взвешенных наносов пробы воды на мутность отбирают следующими
способами:

— детальным (в
пяти точках);

— основным
(двухточечным);


одноточечным;

— суммарным;


интеграционным.

10.4.5
Многоточечный способ предусматривает отбор проб на каждой скоростной вертикали
в пяти точках по глубине вертикали (поверхность, 0,2; 0,6; 0,8 рабочей глубины
и у дна). Подробное описание способов отбора проб при измерении расходов
наносов дано в наставлении [ 2].

10.5 Точечные
способы отбора проб воды на мутность применяют при глубинах до 2,5 м. При
глубине потока меньше 0,4 м батометр устанавливают в точке 0,5 Н.

10.6
Интеграционный способ отбора проб применяют при глубине от 1 м до глубины,
гарантирующей неполное заполнение батометра при его извлечении из воды.
Скорость равномерного опускания и подъема батометра определяют опытным путем в
зависимости от глубины и скорости течения.

10.7 В случае
применения обычной бутылки с выдергивающейся пробкой интеграционный способ не
применим,   и пробы воды на мутность
берут независимо от глубины в одной или двух точках.

10.8 Объем
отобранной пробы измеряют в миллилитрах. Абсолютная погрешность измерения
объема пробы воды на мутность не должна превышать 20 мл.

10.9 Объемы
проб воды в зависимости от средней мутности ручного потока определяют по
таблице 5.

Таблица 5

Показатель

Значение

Средняя
мутность, г/м3

Менее 20

От 20 до 50 вкл.

Более 50 до 100 вкл.

Более 100 до 1000 вкл.

Более 1000

Объем, л

10,0

5,0

2,0

1,0

0,5

10.10 При средней мутности от 50 до 100 г/м3 берут две пробы
объемом по 1 л в двух точках одной вертикали (на глубинах 0,2 Н и 0,8 Н)
и сливают их вместе. При недостаточной глубине (менее 0,4 м) берут две пробы объемом
1 л на глубине 0,5 Н и сливают их
вместе.

При
интеграционном способе пробы берут дважды и также сливают вместе. При мутности
от 20 до 50 г/м3 ежедневно взятые в один срок пробы объемом 1 л
каждая объединяют в один сосуд соответственно по пентадам и декадам.

При мутности
менее 20 г/м3 пробы целесообразно объединять по всему живому
сечению. Такой способ отбора проб называют суммарным.

Указанные
объемы проб позволяют получить при выделении наносов из проб путем фильтрования
осадок наносов на фильтре массой более 0,1 г.

Уменьшение
объемов может привести к существенным погрешностям при дальнейшей обработке
проб.

10.11
Отобранные в речном потоке пробы воды на мутность подвергают обработке, которая
заключается в выделении частиц наносов из воды, последующем их высушивании и
взвешивании на аналитических весах для определения массы выделенных наносов в
граммах.

10.11.1
Первичную обработку проб проводят на гидрологическом посту. Взвешенные наносы
выделяют из отобранных проб воды следующими способами:

— автоматическим
фильтрованием;


фильтрованием с предварительным отстоем наносов;

— ускоренным
фильтрованием под давлением.

10.11.2 При
мутности более 100 г/м3, если весь объем пробы не более 1 л, наносы
выделяют путем фильтрования.

Фильтрование
заключается в пропуске воды с наносами через фильтр, изготовленный из
специальной мелкопористой фильтровальной бумаги, которая задерживает на
поверхности и в порах все частицы наносов.

Применяют
среднефильтрующие беззольные фильтры диаметром 11 см с белой или желтой (№ 89)
лентой.

При большом
количестве наносов пробу фильтруют по частям на два или несколько фильтров.

10.11.3 При
мутности менее 100 г/м3 взятые отдельно пробы сливают в одну общую
бутылку для предварительного отстоя, в результате которого наносы осаждаются на
дне и в нижнем слое воды.

Осветленную
верхнюю часть воды при помощи сифона сливают, а нижнюю часть, насыщенную
наносами, объемом не более 1 л, отфильтровывают.

10.11.4 Для
предварительного отстоя проб применяют бутылки емкостью 3, 5, 10, 20 л.

Продолжительность
предварительного отстоя (с учетом частиц менее 0,001 мм), зависящую от толщины
слоя воды в бутылке и температуры воздуха в помещении, в котором отстаивают
пробы, определяют по таблице 6.

Таблица 6

Объем пробы, л

Продолжительность отстоя проб (сут.) при температуре воздуха в
помещении, °С

От 10 до 15 вкл.

Более 15 до 25 вкл.

Более 25 до 40

1

5

4

4

2

10

8

7

3

15

12

10

10

20

16

12

10.11.5 Для ускорения отстоя наносов в пробах применяют предварительную
коагуляцию наносов с помощью 20 %-го раствора хлористого кальция.

Раствор
подливают в пробу из расчета 1 мл раствора на каждые 100 мл пробы.

10.11.6 Для
фильтрования проб используют фильтровальные шкафы, устройство которых и порядок
фильтрования приведены в наставлении [ 1].

Про анемометры:  Тесла физическая единица измерения си магнитной индукции

10.11.7 Для
ускоренного фильтрования под давлением при мутности менее 200 г/м3
применяют фильтровальный прибор Куприна ГР-60.

Ускоренное
фильтрование под давлением проводят сразу после отбора пробы воды на мутность
на речном посту или в помещении.

Описание
фильтровального прибора Куприна ГР-60 и методика его применения приведены в
наставлении [ 1].

10.11.8 После
окончания фильтрования проб фильтры с наносами высушивают в помещении до
воздушно-сухого состояния и затем направляют в лабораторию для определения
массы и концентрации наносов.

4 средства измерений

4.1 Для отбора
проб воды на мутность применяют средства измерения и устройства, указанные в
таблице 2.

4.2 Пробы воды
на мутность отбирают батометрами длительного наполнения емкостью 1 л
батометром-бутылкой в грузе ГР-15, батометром-бутылкой на штанге ГР-16М и
вакуумным батометром емкостью 3 л ГР-61. Батометры при помощи держателя
крепятся на гидрометрической штанге ГР-56 или стальном канате d ≤ 3 мм с
гидрометрическим грузом ПИ-1.

4.3 При
отсутствии указанных батометров допускается применять стеклянную бутылку
объемом 1 л, укрепленную на штанге или стальном канате с грузом в наклонном
положении под углом 20-25° к горизонтальной плоскости. Бутылка снабжена
пробкой, выдергивающейся при помощи шнура, длина которого должна быть больше
глубины потока.

Таблица 2

Средства измерений и устройства

Стандарт или технические условия

Наименование измеряемой величины

Батометр-бутылка
в грузе ГР-15

ТУ 25-04-1750-76

Объем пробы воды

Батометр-бутылка
на штанге ГР-16М

ТУ 25-04-1749-76

То же

Вакуумный
батометр ГР-61

ТУ 25-04-1748-76

«

Лебедка
гидрометрическая ЛГ-1

ТУ 25-7422.0026-88

Груз
гидрометрический ПИ-1

ТУ 25-04-1785-76

Штанга
гидрометрическая ГР-56

ТУ 25-04-1627-76

Глубина потока

Установка
гидрометрическая ГР-70

ТУ 25-04-1638-80

Глубина, скорость течения, ширина потока,
пробы воды на мутность

Установка
гидрометрическая дистанционная ГР-64М

ТУ 25-04-1891-78

То же

Мост
гидрометрический

Альбомы МР, 1970 и МП, вып. 2.1-85

Переправа
лодочная и паромная

Альбом ПЛП, 1984

Переправа
люлечная двухтросовая

Альбом ПЛ2, 1970

4.4 На реках глубиной более 3 м вспомогательным устройством для отбора
проб воды на мутность батометром с креплением на стальном канате служит гидрометрическая
лебедка ЛГ-1, снабженная счетчиком, по которому отсчитывают длину вытравленного
каната.

При глубинах
менее 3 м батометры при помощи держателей крепятся на гидрометрической штанге
ГР-56.

Массу груза
выбирают по таблице 3 в зависимости от скорости течения таким образом, чтобы
угол относа каната не превышал 10°.

4.5 Для
обработки проб воды на мутность на гидрологическом посту и в лаборатории
необходимы оборудование и материалы, указанные в таблице 4.

Таблица 3

Показатель

Значение

Наибольшая скорость
течения, м/с

1

2

3

4

5

Масса груза, кг

15

25

50

75

100

Таблица 4

Приборы и
материалы

Стандарт или
технические условия

Измеряемая
характеристика

Бутылки и банки
емкостью 1-20 л

ГОСТ
10117-91,

Объем пробы

ГОСТ
15844-92,

ГОСТ
5717-91

Фильтры бумажные

ТУ 6-09-1678-72

Фильтровальный шкаф

Прибор Куприна ГР-60

ТУ 25-08-811-70

Сифон пневматический
ПИ-18

Трубки резиновые
технические

ГОСТ 5496-78

Воронки стеклянные

ГОСТ
19908-90

Груша резиновая

Баня песочная

Весы лабораторные

ГОСТ
24104-88

Масса наносов

Меры массы

ГОСТ
7328-82

То же

Стаканы из кварцевого
стекла

ГОСТ
19908-90

Сушильный шкаф

Эксикатор

ГОСТ
25336-82

Хлористый кальций
прокаленный

ГОСТ 450-77

Хлористый кальций 20
%-й (раствор)

То же

Исходный код программы (скетча)

Определение мутности речных вод оптическими методами

УДК 911.2

Е.В. Белозёрова1, С.Р. Чалов2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МУТНОСТИ РЕЧНЫХ ВОД ОПТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ3

Рассмотрены возможности определения мутности речных вод ^, г/м3) на основе нефело-метрических единиц T (КТЦ), получаемых при помощи оптических мутномеров. Показаны причины существования региональных связей между величинами S и Т. На основе анализа данных, полученных на 30 реках России, выделено 5 групп рек, отличающихся по виду эмпирических зависимостей S = f (7). Выявлено, что при использовании линейной аппроксимации угловой коэффициент возрастает при увеличении среднего диаметра взвешенных наносов.

Ключевые слова: мутность, оптическая мутность, нефелометрия, турбидиметрия.

Введение. Важнейшая физическая характеристика взвешенных наносов — мутность воды, т.е. содержание частиц в единице объема воды. С одной стороны, она формируется в зависимости от региональных физико-географических условий, присущих речному бассейну (рельеф, состав и строение горных пород, растительность, почвы), под воздействием различных процессов (смыв почвы, оползни, осыпи, овражная эрозия и др.) и хозяйственной деятельности. С другой стороны, поступление твердых частиц в толщу воды происходит за счет взаимодействия водного потока и русловых отложений, разный генезис которых определяет неоднородный минералогический и гранулометрический состав взвешенных частиц в реках, протекающих в разных природных условиях, и на разных участках рек.

Измерения мутности в единицах содержания вещества (S, г/м3) позволяют получать характеристики расхода (R, кг/с) и стока взвешенных наносов (WR, кг/год) [3] — важнейших при проведении руслового анализа, оценке русловых деформаций, заиления водохранилищ. Общепринятый метод измерения мутности воды — гравиметрический анализ, основанный на подготовке фильтров, фильтровании, сушке и взвешивании фильтров с осадком. Деление массы осадка (m), который получают по разнице массы чистого фильтра и фильтра со взвесью, на объем профильтрованной пробы (V) дает значение весовой мутности воды: S = m/V, г/м3 [1]. Трудоемкость процесса обусловливает необходимость создания простых косвенных методов измерения мутности.

Наибольшее распространение получили оптические методы измерения величины мутности, характеризующие ослабление проходящего света (т.е. определение оптической плотности образца) и светорассеяние в отраженном свете (т.е. определение интенсивности

света, отраженного под углом 90±30°). Они позволяют определять оптическую мутность (T, turbidity) [6, 18], единицы измерения которой определяются на основе стандартных растворов. В процессе измерения свет подается с помощью лампы на исследуемый образец, помещенный в измерительную кювету, частицы взвеси в воде пропускают и преломляют свет, который регистрируется детекторами, — чем выше содержание взвешенных частиц в пробе, тем выше оптическая мутность. Подход отличается стандартами, используемыми для калибровки прибора, источником излучения, схемами расположения и числом детекторов [17]. Для определения мутности предпочтительнее нефелометрические единицы (NTU — nephelometric turbidity units) [11].

Использование оптической мутности (T) в гидрологии рек затруднено необходимостью пересчитывать ее в единицы содержания взвешенных частиц S, с этой целью строят эмпирические зависимости между исследуемыми величинами. Учитывая, что отражение света от частиц, взвешенных в воде, зависит от их размера и формы, минералогического и петрографического состава, а также от наличия планктона, органики и др., зависимости между величиной мутности, выраженной в г/м3, и оптической мутностью T (NTU) имеют региональный характер.

Исследования по выявлению типа зависимости S = f(T) и факторов, определяющих ее, проводились в ряде региональных работ (табл. 1). При этом была использована линейная аппроксимация [4, 5, 7—10, 14—16]

S = a bT, (1)

в ряде случаев — степенная [12, 19, 20, 23]

S = cTd, (2)

а также логарифмическая [13, 21, 22]

ln S = m ln T n, (3)

1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра гидрологии суши, аспирант; e-mail: ekv.belozerova@gmail.com

2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра гидрологии суши, науч. с., канд. геогр. н.; e-mail: srchalov@rambler.ru

3 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 12-05-0069, 12-05-33090 мол_вед) и гранта Президента Российской Федерации (МК-2857.2021.5, проект «Природные и техногенные закономерности изменения стока наносов по длине речных систем»).

где пары а и Ь, с и й, п и т — региональные коэффициенты. Некоторые исследователи в качестве предикторов для описания величины содержания взвешенных частиц использовали диаметр взвешенных наносов [9], содержание песчаной фракции [13], прозрачность воды [19]. В ряде случаев содержание взвешенных частиц представлялось как функция оптической мутности, цветности, среднего диаметра и формы взвешенных наносов [20].

Постановка проблемы. Все вышеперечисленные работы имели региональный характер, однако отличия между коэффициентами в зависимостях (1)—(3) никогда не исследовались. В то же время именно обоснование пространственной изменчивости вида зависимости определяет возможности использования косвенных методов для оценки мутности воды.

В связи с этим целью нашей работы был географический анализ значений коэффициентов в зависимости £ = f(T), установление закономерностей пространственных (между разными природными зонами) и временных (в разные фазы водного режима) отличий зависимостей £ = /(Т). Рассмотрены возможности интерполяции зависимостей на неизученные регионы.

Материалы и методы исследований. Для установления зависимостей между £ и Т были отобраны пробы воды из рек для определения обоих показателей. Пробы отбирали на стрежне потока батометром-бутылкой на штанге ГР-16М интегральным способом. В створе измерений определяли глубину потока к (м), скорость течения V (м/с), диаметр взвешенных наносов йср (мм), расход Q (м3/с) и уклон водной поверхности I. Содержание органики во взвеси определяли качественно (отсутствует, мало, умеренно, много), в соответствии с природными и хозяйственными условиями исследуемой территории.

Объем отбираемых проб воды на фильтрование определен необходимостью получить навеску на фильтре массой не менее 0,1 г [2]. Отделяли взвешенные частицы с помощью фильтрующей системы «МПН-роге», в состав которой входит пластиковая воронка

с фильтродержателем, колба Бунзена и вакуумный насос. Использованы мембранные фильтры «МДИроге» диаметром 4,7 см и с размером пор 0,45 мкм. Чистые фильтры высушивали при температуре 105 °С в сушильном шкафу в течение 2 ч. Фильтры с навеской находились в сушильном шкафу при той же температуре 3 ч. Определяли массу фильтров с помощью электронных аналитических весов с точностью до 0,0001 г.

Про анемометры:  АНЕМОМЕТРЫ - приборы для измерения скорости движения воздушных потоков (ветра), классификация, принцип действия, краткое описание - ЗАО Промприбор

Оптическую мутность определяли портативным мутномером «НАСН-2100Р» в пробах воды, отобранных для определения содержания взвешенных частиц. Принцип действия прибора основан на определении прошедшего через пробу света, рассеянного в прямом и обратном направлении, а также под углом 90° (рис. 1). Перед измерением оптической мутности емкость с пробой взбалтывали, чтобы осевшие минеральные частицы находились во взвеси. Измерения мутномером проводили непосредственно после отбора проб на водном объекте, в начале, середине и конце процесса фильтрования. Полученные величины оптической мутности осредняли. Разброс измеренных значений оптической мутности в отобранной пробе (максимальные отклонения относительно среднего, %) изменялся в зависимости от содержания взвешенных частиц — увеличивался в пробах с низкими значениями мутности и снижался в пробах с более высокой мутностью воды. Для диапазонов оптической мутности (0—3, 3—10, 10—170, 170—1000 МТи) отклонение от среднего составило 103 … -51, 25 … -31, 7 … -12 и 2 … -4% соответственно; при этом наибольшие абсолютные отклонения от средней величины увеличиваются при росте измеряемых значений (2,53; 2,67; 13; 26 МТи соответственно).

Обобщены результаты 197 одновременных измерений мутности (в нефелометрических и весовых единицах) в пробах воды, отобранных в 2004—2021 гг. более чем на 30 реках России. Анализировались зависимости вида £ = /(Т) для водотоков, протекающих в лесной зоне европейской территории России (ЕТР) (Сухона, Мезень, Печора, Ока, Протва, бассейны рек

Таблица 1

Линейные зависимости £ = /(!) (1), полученные зарубежными исследователями

Источник Водный объект, регион Ь а Диапазон мутности

£, г/м3 Т, эти

[15] Р. Силларо, Италия 0,65 2780 1500-30 000 0-35 000

[14] Р. Пэгхэм, эстуарий, Великобритания 0,8088 -12,571 10-105 50-150

[7] Р. На Боргес, о-в Майорка, Испания 0,96 11,66 < 46,4; 166,6-4000 —

[8] Р. Бэйрд Крик, шт. Висконсин, США, северный и южный рукава 2,0628 0 — —

Р. Бэйрд Крик, шт. Висконсин, США, северное разветвление 1,0119 0 — —

[5] Р. Эпрапах Крик, Восточная Австралия 4,85 -35,0 0-710 7-151

4,19 3,59 0-780 0-187

Рис. 1. Мутномер «НАСН-2100Р» (А) и оптическая схема прибора (Б): 1 — лампа, 2 — линза, 3 — измерительная кювета, 4 — детектор

Москва, Сылва, Большая Кокшага, Чусовая); в Среднем и Нижнем Поволжье (бассейны р. Сок, оз. Эльтон); в горных областях западного склона Кавказа (бассейн р. Мзымта) и восточного побережья Камчатки (бассейн р. Вывенка).

Для разных рек (речных бассейнов) вычисляли линейные регрессионные зависимости вида (1) и определяли значения региональных коэффициентов а и Ь. Для всех зависимостей рассчитывали линейный коэффициент корреляции

-5 )(Т, -Т )

г = I ,

№. ) -Т)

где Т — значения, которые принимают величины весовой и оптической мутности соответственно; 5 , Т — средние значения мутности £ и Т. Затем зависимости, полученные нами, сопоставляли с литературными данными [5, 7, 8, 14, 15] (табл. 1).

Результаты исследований и их обсуждение. Диапазон измеренных величин оптической мутности составил от 0,55 до 3282 МТи, содержание взвешенных частиц — от 1,26 до 2689 г/м3. В общем виде £ и Т оказались связаны уравнением (г = 0,97):

£ = 10,03 0,75 Т.

Для разных рек значения коэффициентов а и Ь различаются и зависят от зональных условий формирования стока воды и наносов, степени антропогенной нагрузки на водосборы, фазы водного режима, гранулометрического состава взвешенных наносов, их генезиса (русловые, бассейновые), природной изменчивости мутности, характеристик речного потока. Соотношение этих факторов в исследуемых водотоках характеризует особенности распределения их по группам (рис. 2). Всего выделено 5 групп рек с характерными параметрами связи £ = /(Т) (табл. 2).

К первой группе относятся средние и малые реки горных областей западного склона Кавказа (бассейн р. Мзымта) и восточного побережья Камчатки (бассейн р. Вывенка), протекающие в районах интенсивной хозяйственной деятельности на водосборах (добыча полезных ископаемых и строительство). Техногенное преобразование почвенного покрова и рельефа мест-

ности приводит к интенсификации эрозионных процессов и активизации выноса бассейновых частиц в водотоки. В результате в составе взвешенных наносов преобладают бассейновые фракции взвешенных частиц с диаметром 0,02 мм при больших величинах мутности (до 2689 г/м3) (табл. 2). Числа Рейнольдса, Фруда и мощность потока достигают наибольших значений среди представленных групп рек (2776-103; 0,266; 4697 кг-м/с3 соответственно). Для рек этой группы характерен широкий диапазон измеренных расходов воды (от 0,03 до 45,6 м3/с), скорости течения (от 0,12 до 1,98 м/с), глубины (от 0,05 до 1,50 м) и уклона русла (от 10,5 до 33,5%о). Угловой коэффициент Ь в этом случае принимает наименьшее значение (0,75), коэффициент а также имеет пониженные значения (-1,04; г = 0,97).

Вторую группу образуют большие равнинные реки лесной зоны ЕТР в условиях летне-осенней межени (Ока, Москва, Мезень, Сухона, Печора), которые характеризуются величинами расхода 263—893 м3/с, скоростью воды 0,26—0,47 м/с, средней глубиной 2,33—3,17 м, уклоном 0,13—0,20 %, число Рейнольдса имеет значения 194-103—657-103, число Фруда — 0,003—0,007, мощность потока 194—657 кг-м/с3, измеренная мутность в реках этой группы достигает 107 г/м3. Вместе со средним диаметром взвешенных частиц (^ср), равным 0,09 мм, возрастает угловой коэффициент (Ь = 0,84) для зависимости £ = /(Т), а свободный член (а) уравнения (1) имеет значение 7,59. Достоверность связи составляет г = 0,93.

Средние и малые равнинные реки лесной и лесостепной зоны ЕТР в условиях летне-осенней межени (Протва, притоки р. Сок) образуют следующую группу водотоков. Измеренные значения расходов воды на этих реках достигали 3,37 м3/с, средняя скорость течения 0,87 м/с, глубина 0,97 м, уклон 7,7 %. При этом число Рейнольдса на изученных реках изменялось в интервале 17-103—427-103, а число Фруда — в диапазоне 0,0002—0,203, мощность потока составляла 0,15— 19,8 кг-м/с3, максимальная измеренная мутность — 98,4 г/м3. Значения углового коэффициента Ь для зависимости £=/(Т) повышаются до 0,93 по сравнению с зависимостью, характерной для рек второй группы, что определено увеличением диаметра взве-

Рис. 2. Зависимость £ = / (Т) для характерных групп рек, нумерацию см. в табл. 2

шенных частиц (й = 0,30 мм). Свободный коэффициент а для этих рек составляет 3,76, а коэффициент корреляции г = 0,99.

Изученные средние равнинные реки лесной зоны ЕТР в период ледостава (бассейны рек Большая Кок-шага, Сылва, Чусовая, верхнее течение р. Москва и притоки) характеризовались расходом воды от 4,07 до 51,0 м3/с, средней скоростью течения от 0,26 до 0,46 м/с, глубиной 0,75-1,68 м, уклоном 0,3-0,5%о, значениями числа Рейнольдса 210-103-451-103 и числа Фруда 16,0-200, мощность потока 0,004-0,028 кг-м/с3. В составе взвешенных частиц доминируют частицы руслового генезиса, поэтому йср достигает 0,34 мм, измеренная мутность воды составляла до 116 г/м3. Величина содержания взвешенных частиц интенсивно возрастает при увеличении оптической мутности (Ь = 2,54), коэффициент а оказывается равным -1,81 (г = 0,92).

Малые равнинные реки зоны полупустынь Нижнего Поволжья (притоки оз. Эльтон) в весенне-летний период отличаются малым расходом воды (<0,36 м3/с), низкой скоростью (до 0,25 м/с) и небольшой глубиной (до 0,77 м) потока. Число Рейнольдса изменялось на изученных реках от 21-103 до 115-103, число Фруда — от 0,012 до 0,071, мощность потока варьировала от 0,20 до 0,071. Взвешенные наносы характеризуются средней крупностью (й = 0,20 мм). Измеренная величина £ достигала 314 г/м3. Вода имеет высокую минерализацию (солоноватая и соленая) и содержит большое количество органических веществ, которые сублимируются в хлопья размером -1-2 см. Последнее определяет вид зависимости £=/ (Т), которая характеризуется максимальной величиной углового коэффициента (Ь = 4,81) и наименьшим значением

свободного коэффициента (а = -15,25). Коэффициент корреляции г зависимости £ = /(Т) для этих рек составил 0,88.

Таким образом, полученные зависимости £ = /(Т) обладают высокой достоверностью, коэффициент корреляции для большинства оказался более 0,9. Исключение составили малые реки зоны полупустынь (г = 0,88), где точность определения мутности снижается за счет высокого содержания органических веществ и минерализации. Угловой коэффициент Ь в зависимости (1) нелинейно возрастает при увеличении диаметра взвешенных наносов й , что демонстрирует его связь с генезисом частиц. Взвешенные частицы с одинаковой массой, но с разным размером по-разному влияют на оптическую мутность: ее величина будет больше при мелком составе взвешенных наносов и меньше при частицах крупного диаметра. Это связано с особенностями рассеяния и преломления света в пробе воды.

Свободный член а в уравнении (1) равен значению весовой мутности в точке пересечения линией связи £ = /(Т) оси ординат. Выявлено, что в исследованных пробах воды он оказался зависимым от максимальной мутности £тах (г = -0,85) и скорости течения V (г = -0,87) и может определяться по уравнению множественной регрессии:

а = 21,5 — 0,0024£тах — 48,Ы

Помимо гидравлических характеристик параметр а возрастает при увеличении содержания органики в речных водах (табл. 1).

Зависимость углового коэффициента Ь от среднего диаметра взвешенных наносов подтверждается данными для других регионов мира (табл. 1). Его минимальные значения (Ь = 0,65) также отмечены для

№ И О ч к

Таблица 2

Параметры зависимости .V = /(1) для некоторых групп рек России и гидрологические отличия

Номер группы рек Тип рек Ъ а г Диапазон мутности ¿V мм Диапазон гидрологических характеристик Содержание органики, баллы

г/м3 г, эти 7СР М3/с V м/с Vм Яе, яТ0~3 Ы, кг-м/с3 Бг

1 Средние и малые реки горных областей восточного побережья Камчатки и западного склона Кавказа с сильной хозяйственной деятельностью на водосборе 0,75 -1,04 0,97 1,26-2689 0,55-3282 0,02 0,0105-0,0335 0,03-45,6 0,12-1,98 0,05-1,50 6-2776 2,58-4697 0,031-0,266 мало (1)

2 Большие равнинные реки лесной зон ЕТР 0,84 7,59 0,93 2,25-107 1,00-112 0,09 0,00013-0,0002 263-893 0,26-0,47 2,33-3,17 571-1384 194-657 0,003-0,007 умеренное (2)

3 Средние и малые равнинные реки лесной и лесостепной зон ЕТР 0,93 3,76 0,99 4,36-98,4 2,18-102 0,30 0,00055-0,0077 0,002-3,37 0,06-0,87 0,15-0,97 17-427 0,15-19,8 0,0002-0,203 умеренное (2)

4 Средние равнинные реки лесной зоны ЕТР в условиях ледостава 2,54 -1,81 0,92 0,58-116 0,46-38,5 0,34 0,0003-0,0005 4,07-51,0 0,26-0,46 0,75-1,68 210-451 16,0-200 0,004-0,028 отсутствует (0)

5 Малые равнинные реки Нижнего Поволжья (зона полупустынь) 4,81 -15,25 0,88 5,42-314 3,16-53,8 0,20 0,00055-0,00606 0,008-0,36 0,02-0,25 0,09-0,77 21-115 0,20-3,74 0,012-0,071 много (3)

О

О

к

к £

Примечания:^ — угловой коэффициент, а — свободный коэффициент, г — коэффициент корреляции, ¿ср — средний диаметр взвешенных наносов, Q — расход воды, I — средний уклон водной поверхности, V — средняя скорость потока, А — средняя глубина потока, Яе — число Рейнольдса, Ы— мощность потока (Лг= 01Бг — число Фруда.

из

рек, протекающих в пределах освоенных горных территорий (например, р. Силларо, Италия [15]). Значение коэффициента b в устье р. Пэгхэм (b = 0,81) [14], протекающей в зоне смешанных и широколиственных лесов, сопоставимо с величиной b для больших равнинных рек лесной зоны ЕТР в условиях летне-осенней межени (b = 0,84). Река На Боргес [7], протекающая в зоне жестколистных и вечнозеленых лесов и кустарников, изученная в период прохождения паводков, характеризуется угловым коэффициентом b = 0,96, что несколько больше значения (b = 0,93), характерного для средних и малых рек лесной и лесостепной зон ЕТР в условиях летне-осенней межени. Реки, в составе взвешенных наносов которых увеличивается содержание песчаных фракций (р. Бэйрд Крик, США [8], р. Эпра-пах Крик, Австралия [5]), характеризуются более высокими значениями углового коэффициента (b > 2) в зависимости S = f(T). Они ближе всего соответствуют результатам, полученным для рек в условиях ледостава (b = 2,54) (табл. 2), где также велика доля песчаных фракций в составе взвешенных наносов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Быков В.Д., Васильев А.Д. Гидрометрия. Л.: Гидроме-теоиздат, 1977. 477 с.

Про анемометры:  Скачать Windscribe VPN бесплатно: как установить, настроить и как удалить

2. Мутность воды. Методика выполнения измерений РД 52.08.104-2002. Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. М., 2002.

3. Сток наносов, его изучение и географическое распределение / Под ред. А.В. Караушева. Л.: Гидрометеоиз-дат, 1977. 240 с.

4. Ankcorn P.D. Clarifying turbidity — the potential and limitations as a surrogate for water-quality monitoring // Proceed. Georgia Water Resources Conference, Athens, GA, 23-24 April 2003.

5. Chanson H, Takeuchi M., Trevethen M. Using turbidity and acoustic backscatter intensity as surrogate measures of suspended sediment concentration in a small subtropical estuary // J. Environm. Management. 2008. Vol. 88. P. 1406-1416.

6. Earhart H.G. Monitoring total suspended solids by using nephelometry // J. Environm. Management. 1984. Vol. 8. P. 81-86.

7. Estrany J., Celso G. Monitoring suspended sediment fluxes in the Na Borges basin, Mallorca, Spain // Geomorpho-logical Processes and Human Impacts in River Basins. IAHS Publ. 299. The Netherlands. 2005. P. 117-122.

8. Fink J.C. The effects of urbanization on Baird creek, Green Bay, Wisconsin // Master of science in environmental science and policy. University of Wisconsin-Green Bay, 2005. P. 76-89.

9. Gippel C.J. Potential of turbidity monitoring for measuring the transport of suspended solids in streams // Hydrological Processes. 1995. Vol. 9. P. 83-97.

10. Gray J.R., Gartner J.W. Technological advances in suspended-sediment surrogate monitoring // Water Resources Res. 2009. Vol. 45. 20 p.

11. Grayson R.B., Finlayson B.L., Gippel C.J., Hart B.T. The potential of field turbidity measurements for the computation of total phosphorus and suspended solids loads // J. Environm. Management. 1996. Vol. 47. P. 257-267.

Выводы:

— определение мутности воды при помощи оптических методов характеризуется региональными особенностями, обусловленными спецификой формирования стока наносов в речных бассейнах. Использование линейной связи (1) позволяет рассматривать вид зависимости для определения мутности воды как функцию от физико-географических (природная зона, размер реки, рельеф, фаза водного режима) и антропогенных (освоенность водосбора) факторов;

— угловой коэффициент Ь нелинейно возрастает при увеличении среднего диаметра взвешенных наносов. Значения свободного члена а зависят от максимальной мутности, скорости течения и возрастают с увеличением содержания органических веществ в воде;

— указанные закономерности свидетельствуют о возможности использовать оптические методы для определения мутности речных вод без проведения специальных калибровок. Это позволяет получить массовые данные о мутности при значительном ускорении процесса измерений по сравнению с традиционным гравиметрическим анализом.

12. Lewis J. Turbidity-controlled suspended sediment sampling for runoff-event load estimation // Water Resources Res. 1996. Vol. 32, N 7. P. 2299-2310.

13. Lewis J. Turbidity-controlled sampling for suspended sediment load estimation // Seventh Conf. Reno, Nevada, USA, 2001.

14. Mitchell S.B., Burgess H.M., Pope D.J. Observations of fine sediment transport in a semi-enclosed sheltered natural harbor (Pagham Harbour, UK) // J. Coastal Res. 2004. Vol. 41. P. 141-147.

15. Pavanelli D, Bigi A. Indirect methods to estimate suspended sediment concentration: reliability and relationship of turbidity and settleable solids // Biosystems Engineering. 2005. Vol. 90, N 1. P. 75-83.

16. Peng F, Effler S.W., Pierson D.C., Smith D.G. Light-scattering features of turbidity-causing particles in interconnected reservoir basins and a connecting stream // Water Res. 2009. Vol. 43. P. 2280-2292.

17. Rasmussen P.P., Gray J.R., Glysson G.D., Ziegler A.C. Guidelines and procedures for computing time-series suspended-sediment concentrations and loads from in-stream turbidity-sensor and streamflow data // U.S. Geol. Surv. Techniq. and Methods book 3. 2009. Chap. C4. 53 p.

18. Schroeder W.W., Crozier G.F., Blancher E.C. Comparison of suspended total solid gravimetry to laboratory and in situ nephelometric measurement // Estuaries. 1981. Vol. 4, N 3. P. 292.

19. Smith D.G., Davies-Colley R.J. If visual clarity is the issue then why not measure it? // Proceed. Nation. Monitoring Conference. NWQM Council, Madison, WI, USA, 2002. 10 p.

20. Teixera E.C., Caliari P.C. Estimation of the concentration of suspended solids in rivers from turbidity measurement: error assessment // Sediment Budgets 1. 2005. IAHS Publ. 291. P. 151-160.

21. TMDL for Turbidity Cadron Creek, AR for U.S. EPA Region 6 // FTN Associates. 2006. 26 p.

22. TMDL for Turbidity White Oak Creek, AR for U.S. water tributaries of the Cascapedia River, Quebec // Hydrologi-EPA Region 6 // FTN Associates. 2006. 24 p. cal Processes. 2005. Vol. 19. P. 4161-4177.

23. Zimmermann A.E., Lapointe M. Sediment infiltration „

‘ , Поступила в редакцию

traps: their use to monitor salmonid spawning habitat in head- 01 04 2021

E.V. Belozerova, S.R. Chalov ASSESSMENT OF RIVER WATER TURBIDITY USING THE OPTIC METHODS

Possible assessment of suspended sediment concentrations S (g/m3) based on turbidity data T (NTU) is discussed. Regional correlations between S and T values are reasoned. Basing on the data from 30 rivers of Russia five groups of rivers were identified which are different in S = f(T) regression. The linear approximation reflects the influence of the average diameter of sediment particles on slope ratio.

Key words: turbidity, optical turbidity, nephelometry, turbidity measurements.

Явление электромагнитной индукции

Электромагнитная индукция – явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.

Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем.

Опыты Фарадея

  • На одну непроводящую основу были намотаны две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй – подключены к источнику тока. При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.
  • Первая катушка была подключена к источнику тока, вторая, подключенная к гальванометру, перемещалась относительно нее. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.
  • Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется – вдвигается (выдвигается) – относительно катушки.

Опыты показали, что индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции. Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении.

Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле.

Объяснения возникновения индукционного тока

Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС. Значит, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляется ЭДС, которую называют ЭДС индукции.

Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1861 году.

Свойства вихревого электрического поля:

  • источник – переменное магнитное поле;
  • обнаруживается по действию на заряд;
  • не является потенциальным;
  • линии поля замкнутые.

Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике.

Самоиндукция – это явление возникновения ЭДС индукции в проводнике в результате изменения тока в нем.

При изменении силы тока в катушке происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, должно вызывать появление ЭДС индукции в катушке.

В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении и убыванию силы тока при выключении цепи.

Это приводит к тому, что при замыкании цепи, в которой есть источник тока с постоянной ЭДС, сила тока устанавливается через некоторое время.

При отключении источника ток также не прекращается мгновенно. Возникающая при этом ЭДС самоиндукции может превышать ЭДС источника.

Явление самоиндукции можно наблюдать, собрав электрическую цепь из катушки с большой индуктивностью, резистора, двух одинаковых ламп накаливания и источника тока. Резистор должен иметь такое же электрическое сопротивление, как и провод катушки.

Опыт показывает, что при замыкании цепи электрическая лампа, включенная последовательно с катушкой, загорается несколько позже, чем лампа, включенная последовательно с резистором. Нарастанию тока в цепи катушки при замыкании препятствует ЭДС самоиндукции, возникающая при возрастании магнитного потока в катушке.

При отключении источника тока вспыхивают обе лампы. В этом случае ток в цепи поддерживается ЭДС самоиндукции, возникающей при убывании магнитного потока в катушке.

ЭДС самоиндукции ​( varepsilon_{is} )​, возникающая в катушке с индуктивностью ​( L )​, по закону электромагнитной индукции равна:

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в катушке

Электрический ток, проходящий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. Магнитный поток ​( Phi )​ через контур из этого проводника пропорционален модулю индукции ​( vec{B} )​ магнитного поля внутри контура, а индукция магнитного поля, в свою очередь, пропорциональна силе тока в проводнике.

Следовательно, магнитный поток через контур прямо пропорционален силе тока в контуре:

Индуктивность – коэффициент пропорциональности ​( L )​ между силой тока ​( I )​ в контуре и магнитным потоком ​( Phi )​, создаваемым этим током:

Индуктивность зависит от размеров и формы проводника, от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.

Единица индуктивности в СИ – генри (Гн). Индуктивность контура равна 1 генри, если при силе постоянного тока 1 ампер магнитный поток через контур равен 1 вебер:

Можно дать второе определение единицы индуктивности: элемент электрической цепи обладает индуктивностью в 1 Гн, если при равномерном изменении силы тока в цепи на 1 ампер за 1 с в нем возникает ЭДС самоиндукции 1 вольт.

Магнитным потоком через площадь ​( S )​ контура называют скалярную физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции ​( B )​, площади поверхности ​( S )​, пронизываемой данным потоком, и косинуса угла ​( alpha )​ между направлением вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра к плоскости данной поверхности):

Обозначение – ​( Phi )​, единица измерения в СИ – вебер (Вб).

Магнитный поток в 1 вебер создается однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м2, расположенную перпендикулярно вектору магнитной индукции:

Магнитный поток можно наглядно представить как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через данную площадь.

В зависимости от угла ​( alpha )​ магнитный поток может быть положительным (( alpha ) < 90°) или отрицательным (( alpha ) > 90°). Если ( alpha ) = 90°, то магнитный поток равен 0.

Изменить магнитный поток можно меняя площадь контура, модуль индукции поля или расположение контура в магнитном поле (поворачивая его).

В случае неоднородного магнитного поля и неплоского контура магнитный поток находят как сумму магнитных потоков, пронизывающих площадь каждого из участков, на которые можно разбить данную поверхность.

Оцените статью
Анемометры
Добавить комментарий