Методы создания магнитных полей
Получение однородного магнитного поля в определенном объеме – это задача,
часто встречающаяся в постановке физического эксперимента. В зависимости от
требуемой величины магнитной индукции B, размеров рабочей области, расхо-
дуемой мощности, веса и конструктивных требований эта проблема решается
разными способами. Магнитное поле может быть создано с помощью катушек с
током, электромагнитов и постоянных магнитов. Постоянные магниты не требуют
энергии, но не дают возможности эффективно и просто управлять величиной
магнитного поля. Величина получаемой магнитной индукции для них определя-
ется остаточной намагниченностью материала магнита и для разных материалов
может иметь разные значения до величин порядка тесла (максимально – 1.38 Тл
для магнитов Nd-Fe-B). Постоянные магниты широко применяются в электронной
технике в приборах, где требуется неизменное поле определенной величины. В
лабораторной практике, где энергозатраты не являются главным критерием, а важ-
но удобство управления, более распространены первые два метода. Рассмотрим
особенности их применения.
Для получения относительно слабых полей вплоть до 0.1 Т чаще всего использу-
ются катушки с током, при этом поле высокой степени однородности можно по-
лучить, используя соленоид или катушки Гельмгольца. При указанных величинах
поля необходимые токи сравнительно невелики и легко обеспечиваются лабора-
торными средствами.
Поля средней величины порядка 0.1-1 Т получить предыдущим способом труднее,
поскольку требуемые при этом токи пропорционально возрастают, а рассеиваемая
тепловая мощность и мощность источников питания растет как квадрат тока, что
и порождает ряд технических проблем. Для получения таких полей в лаборатор-
ной практике широко используются электромагниты, т.е. катушки с током, одетые
- 4 -
на ферромагнитный сердечник, чаще всего из железа. Относительная магнитная
проницаемость железа может достигать величины нескольких тысяч (у чистого
железа до 20000). Таким образом, сравнительно малым током можно вызвать
большую намагниченность сердечника и получить в зазоре электромагнита маг-
нитное поле с величиной индукции на несколько порядков большей, чем она была
бы в такой же катушке без сердечника. Физическим ограничением для получения
сильных полей данным методом является величина магнитной индукции насыще-
ния магнетика, достигая которую, магнетик перестает вносить дальнейший вклад
в величину магнитного поля (для железа индукция насыщения равна 2.18 Тл).
По этой причине для получения сильных магнитных полей порядка десятков тес-
ла применение магнитных сердечников теряет смысл, поскольку такие поля на-
много превосходят намагниченность насыщения всех известных ферромагнети-
ков. Поэтому для получения сильных полей используются только катушки с то-
ком. Проблемы мощности решаются либо применением кратковременного, им-
пульсного, режима работы, либо использованием сверхпроводящих катушек. По-
добно постоянным магнитам, сверхпроводящие магниты после возбуждения поля
теоретически не требуют энергии. Однако значительная мощность должна тра-
титься на охлаждение обмоток, поскольку известные в настоящее время и пригод-
ные к изготовлению катушек материалы обладают сверхпроводимостью только
при низких, криогенных температурах. Например, сверхпроводящие магниты
Большого адронного коллайдера дают индукцию до 8.5 Тл при температуре жид-
кого гелия. В настоящее время сверхпроводящие магниты позволяют получить
поля свыше 20 Тл.
Автор
Тема: Высокотемпературный сверхпроводник из аллюминия (поиск партнеров) (Прочитано 5076 раз)