Способ получения магнитного поля

Способ получения магнитного поля

Физические основы и методы получения
магнитного поля.

Ю. Гайдуков

Качественно рассмотрены физические основы генерации магнитных полей в широком диапазоне значений, применяемых в лабораторных исследованиях, главным образом в физике твердого тела. Схематически представлены конструкции электромагнитов, различного рода соленоидов и взрывных устройств. Обсуждаются физические и технические ограничения на величину максимально достижимого поля различными методами.

Развитие науки немыслимо без проведения экспериментальных исследований. Получаемые при этом опытные факты ценны главным образом тем, что приводят к открытию новых, не предсказанных ранее явлений. На их основе появляется возможность создавать приборы, работающие на новых принципах. Последние оказываются либо более чувствительными и позволяют глубже и шире исследовать уже известную область науки, либо вооружают ученых для поиска новых явлений. Открытие явления, исследование его, изобретение на его основе прибора и дальнейшие исследования с помощью нового прибора — этапы построения здания науки об окружающем материальном мире.

В самом общем виде можно сказать, что в науке для познания Природы используются в качестве инструментов различного рода взаимодействия и поля. Воздействуя на вещество тем или иным полем, изучают отклик вещества на это воздействие. Анализируя его, делают заключение о природе явления. Наиболее эффективным средством воздействия является магнитное поле, так как магнетизм — широко распространенное свойство веществ.

Цель настоящей статьи — дать качественное описание наиболее распространенных методов получения магнитных полей. Большая часть этих методов является результатом развития научных знаний и достижений техники последних десятилетий. При этом они бурно развиваются и в настоящее время, так как потребность в них велика в силу ощущения открытия новых горизонтов для развития как научных знаний, так и техники.

Хотя магнетизм был известен человеку с древних времен, магнитное поле становится инструментом научных исследований только после открытия датским физиком Эрстедом в 1820 году связи между током и магнитным полем: электрический ток порождает магнитное поле. Это дало начало новому разделу физики — электромагнетизму. Металлический провод с током, свернутый в катушку (соленоид), вскоре после этого открытия и был первым генератором постоянного магнитного поля. Техника этого времени и долгое время после не позволяла получить сколько-нибудь сильные магнитные поля с помощью соленоидов, и основным устройством для этого был электромагнит — система из железного сердечника, помещенного в магнитное поле соленоида. Железо усиливает поле соленоида в сотни раз. Но поле электромагнита ограничено по величине практическими пределами. Поэтому с середины двадцатых годов нашего столетия более сильные магнитные поля стали получать с помощью специальных соленоидов, используя при этом весь накопленный арсенал достижений науки и техники.

Ниже дается обзор методов получения магнитных полей.

Электромагниты до сих пор не утратили своего значения и широко применяются в науке и технике. Это связано со сравнительной простотой и дешевизной получения стационарных постоянных полей, пригодных для многих научных задач.

Рассмотрим простейшее устройство: многовитковую и многослойную катушку, намотанную на круглый сердечник, выполненный в виде замкнутого кольца. Положим, что размеры сечения ферромагнетика существенно меньше размеров кольца. По катушке течет ток I. Он создает поле Н = 0,4pnI, где n — плотность числа витков обмотки на 1 см. Это поле наводит в ферромагнетике дополнительное поле Нф . Суммарное поле (магнитная индукция) В = Н + Нф .

Для качественного описания работы электромагнита можно допустить, что до некоторого значения H = Ннас величина Нф существенно и линейно зависит от Н, а в больших полях практически не зависит от него (ферромагнетик насыщается). Тогда при Н

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, 1996

Источник

Способ получения магнитного поля

Аморфные магнетики

14 декабря отмечается День памяти Андрея Дмитриевича Сахарова

Наноструктуры 2001 — вести с конференций

Аннигиляция

Физика 2002: итоги года

150 лет ГАИШ: 150 лет Московской университетской обсерватории — Государственному Астрономическому институту имени П.К.Штернберга

8 июля исполняется 106 лет со дня рождения Игоря Евгеньевича Тамма, лауреата Нобелевской премии по физике 1958 года.

Подробнее о Нобелевских лауреатах 2003

Углеродные нанотрубки: их свойства и применение

Антенна: внешняя задача теории антенн

Физические основы и методы получения магнитного поля

Ю.П.Гайдуков ( Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова ) Опубликовано в Соросовском образовательном журнале, N 4, 1996 г.

Содержание

Сжатие магнитного потока

Дальнейший прогресс получения еще больших значений поля был связан с оригинальным и красивым методом — увеличением плотности магнитного потока путем сжатия проводящего кольца или цилиндра. Идея и реализация этого метода принадлежат А.Д. Сахарову (1951 г., см. [Кнопфель Г., 1972]), который работал в то время в закрытой области. В открытой печати этот же метод теоретически рассмотрел Я.П. Терлецкий в 1957 году.

Суть метода в следующем. Возьмем цилиндрическое тонкостенное кольцо из проводящего материала радиусом r_H , которое пронизывает начальное магнитное поле Н_н . Тогда полный поток магнитного поля через кольцо Ф_Н = S_нH_н , где S_н — начальная площадь, заключенная внутри кольца, . Подвергнем кольцо быстрой деформации по радиусу (сжатию), такой, что оно изменяется подобно самому себе. В кольце возникнут токи, стремящиеся сохранить поток Ф_H . На конечной стадии сжатия радиус кольца уменьшится до величины r_к . Если время затухания тока существенно превышает время сжатия, то потерями можно пренебречь, то есть считать, что поток через кольцо сохраняется; откуда следует, что конечная плотность магнитного потока

(5)

Больших успехов в использовании метода сжатия магнитного потока достигли российские и итальянские физики. Первоначально деформация кольца (обычно медного) проводилась с помощью направленного взрыва взрывчатого вещества (ВВ). Один из вариантов опытов показан на рисунке 2а. Тонкостенное медное кольцо, называемое «лайнер», окружает кольцевой заряд ВВ. Внутрь кольца плотно вставлен соленоид с небольшим числом витков. Это импульсный соленоид, задающий начальный поток Ф_H . Его время работы рассчитано так, что оно больше времени затухания тока в кольце, для того чтобы начальное поле смогло проникнуть внутрь кольца. После того как это достигнуто, производится подрыв ВВ по всей внешней периферии. Развивающееся давление приводит к пластической деформации лайнера, и он начинает сжиматься. Сжатие прекращается в тот момент, когда сравниваются электродинамические силы в лайнере с силами взрыва. При удачном проведении опыта, используя массу ВВ в 20 кг, медный лайнер диаметром около 10 см и начальное поле 10 5 Э, удается получить поле до 2*10 7 Э. Имеются и другие варианты сжатия магнитного потока с помощью взрыва (рис. 2б).

Рис. 2. Варианты метода «сжатия магнитного потока». а — Сжатие лайнера: 1 — электрические детонаторы; 2 — взрываемый заряд ВВ; 3 — лайнер — металлическое кольцо; 4 — импульсный соленоид, задающий начальное поле Нн; Sн — начальная площадь захвата потока поля.

б — Сжатие потока поля в устройстве типа «кузнечные меха»: 1 — электродетонатор; 2 — пластина ВВ; 3 — профиль изогнутой медной пластины, образующей площади Sн и Sк, Sн >> Sк; 4 — одновитковый соленоид, образованный медной пластиной; 5 — ключ; С — батарея конденсаторов. После замыкания ключа 5 батарея конденсаторов С генерирует начальный поток поля во всей области (Sн + Sк), охватываемой медной пластиной 3. В момент достижения максимального тока подрывается заряд ВВ. Взрыв начинается слева, поэтому пластина 3 замыкается, захватывая начальный поток поля. Взрыв распространяется вправо, вытесняя поток в катушку 4.

Более деликатный, изящный и дешевый метод без применения ВВ предложен японскими учеными из Токийского университета. В нем лайнер располагается внутри прочного одновиткового соленоида. Затравочное поле Н_н получается от двух катушек, расположенных с двух сторон по торцам лайнера. Разряд мощной батареи конденсаторов на одновитковый соленоид наводит в лайнере токи, текущие в направлении, противоположном токам этого соленоида. Взаимодействие токов деформирует и сжимает лайнер. В этом методе разрушается только лайнер. Метод не требует проведения экспериментов на специальных полигонах. Достаточно стального бокса объемом в несколько кубических метров. Этим методом достигнуты поля до 2*10 6 Э. На рисунке 3 представлены последовательные стадии сжатия лайнера, полученные скоростной фотографией.

Рис. 3. Скоростная фотография последовательных стадий сжатия лайнера. У каждого фрагмента указано время в микросекундах. Начиная с 32 мкс виден сжимаемый лайнер — темное кольцо.

Интересно здесь упомянуть, что природа тоже, по-видимому, использует метод сжатия магнитного потока для сверхсильных магнитных полей. Полагают, что при коллапсе массивной звезды и превращении ее в нейтронную ее радиус уменьшается с 10 6 до 10 км. В силу большой проводимости, а возможно и сверхпроводимости на определенном этапе сжатия, захватывается первоначальный магнитный поток. При начальном поле в 10 2 Э поле может возрасти до 10 12 Э. Природа звезд-пульсаров связывается с существованием таких полей.

Наконец в заключение этого раздела укажем, что и сверхслабые магнитные поля получаются аналогичным способом. Только в этом случае производится не сжатие, а расширение оболочек, выполненных из сверхпроводника. Расширение происходит медленно с помощью механических устройств. Удается получать поля до 10 -8 Э.

Заключение

Таблица 2 дает представление о величинах магнитного поля и временах их существования, получаемых различными методами.

Область и время существования поля и метод его получения	H, Э
Нейтронная звезда	10 12
Сжатие магнитного потока ( мкс)	(2 — 2,5)*10 7
Разряд конденсаторной батареи на импульсный соленоид	10 6
То же, однократная разрушающая генераци	5*10 6
Гибридные магнитные системы, стационарное поле	3*10 5
Биттеровские соленоиды, стационарное поле	2,5*10 5
Сверхпроводящие соленоиды	1,8*10 5
Рекордные электромагниты	7*10 4
Стандартные лабораторные электромагниты	(2 — 3)*10 4
Постоянные магниты	(1 — 8)*10 3
Поле Земли	0,2 — 0,5
Межпланетное пространство	10 -4
Сердце человека	5*10 -7
Расширение сверхпроводящих оболочек	3*10 -9

Конечно, получение сильных магнитных полей не является самоцелью ученых и инженеров, а дает в руки исследователей мощный инструмент познания природы. И этот инструмент эффективно используется. Но мы лишены возможности описать здесь результаты научных исследований. Надеемся, что заинтересованный читатель найдет хорошие обзоры на эту тему в доступной ему литературе, список которой приводится ниже. Прокомментируем его.

В [Карасик В.Р., 1964] наиболее полно изложены методы получения магнитных полей с помощью электромагнитов, соленоидов и сверхпроводников. В [Кнопфель Г., 1972] достаточно полно рассмотрен метод сжатия магнитного потока. Сборник [Ф. Херлах и др., 1988] позволяет узнать как о принципах генерации магнитного поля, так и о действующих в этой области лабораториях. В нем содержится обзор некоторых результатов, полученных в области физики твердого тела и биологии. В [Лагутин А.С., Ожогин В.И., 1988] рассмотрены методы и техника генерации сильных и сверхсильных магнитных полей, обсуждаются перспективы прогресса в этой области. Наконец [«Природа», 1994, N 4.] — это специальный выпуск журнала «Природа», посвященный 100-летию П.Л. Капицы. Он интересен в целом, и в нем есть статья, посвященная самым последним достижениям в области сильных магнитных полей и полученных с их помощью научных результатов.

Автор благодарит Н.П. Данилову за помощь при подготовке рукописи этой статьи.

Источник

Методы создания магнитного поля

Лабораторная работа № 2-28

Цель работы: Ознакомиться с одним из широко используемых на практике методов измерения и исследования, магнитных полей с помощью датчика Холла; исследовать магнитное поле внутри длинного соленоида

Приборы и принадлежности:соленоид, датчик Холла, блок питания для соленоида, источник питания для датчика Холла, милливольтметр для измерения электродвижущей силы (э.д.с.) Холла.

Краткое теоретическое введение

Методы создания магнитного поля

При исследовании некоторых свойств вещества, при изучении движения заряженных частиц по необходимым траекториям часто возникает необходимость в создании магнитных полей различных конфигураций.

Простейшим устройством, создающим магнитное поле, является проводник с током (рис. 1 а). В пространстве вокруг него существует неоднородное поле.

Для того, чтобы иметь представление о распределении магнитных полей в пространстве, удобно использовать графический способ представления полей — при помощи силовых линий магнитной индукции.

Линии магнитной индукции — это такие линии, касательные к которым в каждой точкеполя совпадают с направлением вектора магнитной индукции в этой точке (рис. 1, точки A, C, D). На рис. 1 представлены различные конфигурации проводников с током и расположение линий магнитной индукции вокруг них. Здесь видны особенности линий магнитной индукции, которые отражают важные свойства магнитных полей.

Линии магнитной индукции всегда замкнуты: они не имеют ни начала, ни конца. Это говорит о том, что магнитное поле – вихревое поле.

Рис.1. Распределение силовых линий магнитного поля вокруг прямолинейного тока в пространстве (а), замкнутого контура с током (б, в) и соленоида с током (д). Рука иллюстрирует применение правила правой руки для определения направления силовых линий магнитного поля

Для определения направления вектора магнитной индукции поля, созданного вокруг проводника с током используют либо правило буравчика (штопора) , либо правило правой руки.

Согласно правилу буравчика, если ток течет по прямому проводнику ( прямой ток), то в этом направлении должен перемещаться буравчик. Тогда направление вращения ручки буравчика покажет направление силовых линий магнитного поля, созданного током в проводнике. Если ток течет по замкнутому проводнику (контурный ток), то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением тока в витке, тогда направление перемещения буравчика покажет направление вектора магнитной индукции, созданной током в витке на своей оси.

Чтобы определить направление силовых линий магнитного поля созданного током в прямом проводнике нужно охватить проводник правой рукой, направив отогнутый большой палец по направлению тока, кончики остальных пальцев в данной точке покажут направление вектора индукции в этой точке.

Из рисунков 1 б и в видно, что магнитное поле, созданное замкнутыми токами также, как и поле прямого тока неоднородно.

Если нужно получить однородное магнитное поле, то можно взять два соосно расположенных на близком расстоянии друг от друга витка с током. Между витками будет существовать довольно протяженная область пространства с однородным магнитным полем. ( рис. 1д).

Для получения однородного магнитного поля используют катушку в виде намотанного на цилиндрическую поверхность изолированного проводника, которые образуют винтовую линию. Такое устройство называют соленоидом или катушкой индуктивности. Если витки расположены вплотную или очень близко друг к другу, то соленоид можно рассматривать как систему последовательно соединенных круговых токов одинакового радиуса с общей осью (рис. 1д). Силовые линии магнитного поля поля соленоида выглядят примерно так, как показано на рис. 1 д.

В средней части внутри полости соленоида, длина которого значительно больше диаметра, магнитное поле направлено параллельно вдоль оси соленоида. Оно однородно в середине соленоида и спадает к его концам. В теории электромагнетизма для количественного описания явлений используют две векторные величины, характеризующие магнитные поля. Это вектор магнитной индукции и вектор напряженности магнитного поля . Для рассматриваемого нами случая, величина напряженности магнитного поля внутри соленоида Н пропорциональна силе тока I и определяется по формуле

где n₀ — число витков на единицу длины n₀=N/l (N – общее число витков соленоида, l – длина соленоида, рис. 2). Напряженность магнитного поля в системе СИ имеет размерность [А/м].

Вектор магнитной индукции связан с вектором напряженности магнитного поля выражением:

, (2)

где m₀ — так называемая магнитная постоянная (m₀ = 4p´10 -7 Гн/м), m — безразмерная величина, характеризующая магнитные свойства среды и называемая относительной магнитной проницаемостью среды. Для вакуума μ = 1. Индукцию магнитного поля в единицах СИ измеряют в Теслах [Тл].

Величина индукции магнитного поля на оси длинного соленоида конечной длины (сравнительно с его диаметром) вычисляется по формуле

где a₁ и a₂ — углы, под которыми видны концы соленоида из точки А на его оси, к которой относится величина В. В случае достаточно длинного соленоида, когда углы α₁ и α₂ близки к нулю, формула (3) приводится к виду:

Рис. 2.

Простые соленоиды позволяют получать поля до 0,2 Тл. Соленоиды с охлаждением обмотки позволяют получать поля до 10 Тл. Через такой соленоид пропускается ток в десятки килоампер, а расход воды для охлаждения составляет сотни кубометров в секунду.

Внутри соленоида направление линий магнитной индукции образует с направлением тока в витках правовинтовую систему. Это позволяет использовать правило правой руки для определения направления силовых линий магнитного поля как это показано на рис. 1.

У реального соленоида имеется составляющая тока

Рис.1

вдоль оси. Кроме того, линейная плотность тока (равная отношению силы тока dI к элементу длины соленоида)dlизменяется периодически при перемещении вдоль соленоида. Среднее значение этой плотности равно

(4)

В учении об электромагнетизме большую роль играет воображаемый бесконечно длинный соленоид, у которого отсутствует осевая составляющая тока и, кроме того, линейная плотность тока постоянна по всей длине соленоида. Причина этого заключается в том, что поле такого соленоида однородно и ограничено объемом соленоида (аналогично электрическое поле плоского конденсатора, которое однородно и ограничено объемом конденсатора).

Рис. 3. Схематическое представление соленоида в виде тонкостенного цилиндра с постоянной плотностью тока j_лин Рис. 4. Результирующее магнитное поле создаваемое парой соседних витков соленоида

В соответствии с выше сказанным можно представить соленоид в виде бесконечного тонкостенного цилиндра, обтекаемого током с постоянной линейной плотностью (рис. 3).

Разобьем цилиндр на одинаковые круговые токи — «витки». На рис. 4 видно, что каждая пара витков, расположенная симметрично относительно некоторой плоскости, перпендикулярной к оси соленоида, создает в любой точке этой плоскости магнитную индукцию, параллельную оси. Следовательно, и результирующее поле в любой точке внутри и вне бесконечного соленоида может иметь лишь направление, параллельное оси.

Рис.2

Из рис. 1 д вытекает, что направление поля внутри и вне конечного соленоида противоположны. При увеличении длины соленоида, направления полей не изменяются и в пределе, при l®¥ остаются противоположными. Для бесконечного соленоида, как и для конечного, направление поля внутри соленоида образует с направлением обтекания цилиндра правовинтовую систему.

Из параллельности вектора оси соленоида вытекает, что поле как внутри, так и вне бесконечного соленоида должно быть однородным.

Поле как внутри, так и вне бесконечного соленоида является конечным. Причем, вне соленоида поле очень слабое и близко к нулевым значениям. Внутри бесконечно длинного соленоида магнитное поле значительно и определяется выражением:

где произведение n₀I называется числом ампер-витков на метр.

Если соленоид является конечным, то, как уже указывалось ранее, индукция магнитного поля в центре на оси соленоида определяется выражением (3).

В магнитную индукцию на оси соленоида симметрично расположенные витки вносят одинаковый вклад. Поэтому у конца полубесконечного соленоида на его оси магнитная индукция равна половине значения в представленной формуле (5):

Практически, если длина соленоида значительно больше, чем его диаметр, формулы (5) и (6) будут справедливы с большой степенью точности.

Источник