Способы создания переменного магнитного поля

Способ создания переменного магнитного поля

Номер патента: 542268

Текст

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских Социалистических Республик(51) М. Кл.Н 01 1. 39/О НО 1 Р 7/22 а присоеди явкиосударстеенныи намет Свавта Министров ССС но делам изооретеннйн открытий 23) Приоритет43) Опубликовано,01.77, Бюллетень1 УДК621,326 (0888) 45) Дата опубликования описания 28.02,7(72) Авторы изобретения Клименко и С. И, Новико Заявител ПЕРЕМЕННОГО МАГНИТНОГО ПОЛ(54 СПОСОБ СО Изобретение относится к области электротехники и может быть применено для получения меняв. щихся магнитных полей со скоростью от нуля до нескольких тесла в секунду и использовано, например, для создания сверхпроводящих магнитов ускорителей элементарных частиц или электро.шин со сверхпроводящими обмотками и сверховодящнх трансформаторов.Известен способ создания магнитного поля во внутреней полости многосекционной сверхпроводящей обмотки, питаемой одним источником тока. Однако такой способ не позволяет получать переменное магнитное поле во внутренней рабочей области при повышенной конструктивной плотности тока с заданным временным характером и 1 пространственной конфигурацией.Из известных способов создания переменного магнитного поля наиболее близким к описываемому является способ создания переменного маг. нитного поля во внутренней рабочей области 2 много секционной сверхпроводящей обмотки с коаксиальным расположением секции путем изме. нения тока в секциях обмотки. причем временной характер изменения тока во всех секциях выбирают так же, как и требуемый характер изменения 2 мапктного поля. Недостатком этого способа является значительная величина тепловыделений в обмотке вследствие гистерезисных потерь и вихревых токов в нормальном металле, входящем в 5 состав сверхпроводящего провода, обусловленныхтем, что вся обмотка подвергается воздействию переменного магнитного поля. И в тех случаях, когда требуется, чтобы магнитное поле в рабочем обьеме в процессе работы приближалось к нулю, о приближается к нулю и поле во всей обмотке.Известно, что значительная доля гистерезисных по; терь происходит в области малых полей, где велики значения критической плотности тока. Недостатки известного способа еще заключаются в том; что, 5 во-первых, поскольку распределение тепловыделений в обмотке близко к равномерному, то в ней равномерно располагают каналы для хладагента (жндкого гелия), что существенно снижает конструктивную плотность тока и увеличивает габари ты обмотки, во.вторых, распределение тепловьще.лений во времени ограничивает допустимую скорость изменения магнитного поля.Цель изобретения — уменьшение тепловыделе.ний в обмотке и увеличение конструктивной плот ности тока при суперпозиции магнитных полей,5 создаваемых секциями, с заданными временнымиизменениями и пространственной конфигурацией,При этом возможно увеличение допустимой скорости изменения магнитного поля в рабочей области,Для достижения поставленной цели внутренниесекции обмотки питают током, имеющим постоянную составляющую с периодически дискретнымвозрастанием амплитуды, во время которого вовнешних секциях ток подцерживают постоянным иуменьшают его на время, когда ток во внутреннихсекциях подцерживают постоянным.На чертеже изображены кривые, поясняющиеизменение тока в секциях сверхпроводящей обмот.ки, и суперпозиция магнитных полей в рабочейобласти.Внутренние секции питают током ) а внешниетоком 32. При этом суперпозиция полей в рабочемобьеме имеет временной характер изменения согласно кривой Н = 1 (ю 1 Е ),Один из возможных примеров осуществленияпредлагаемого способа может быть реализован, например, с помощью двухсекционного селеноида дляполучения магнитного поля, меняющегося в рабочей области по закону Н=Н /1+ьп оз (,где Н — текущее значение магнитного поля в рабочей области,Но — амплитуда изменения магнитного поля,ы — частота изменения магнитного поля,1 — время.Внутреннюю секцию питают переменным токомз 1 ь 1 и щ 1, при этом она создает в рабочей областипеременное поле Но 51 ъ а 1.Внешнюю секцию запитывают постоянным током 32, она создает в рабочей области постоянноеполе Но . Суперпозиция полей двух секций изменяется по требуемому закону Нойз 1 па 1) Тепловыделения же в обмотке будут существенно сниженыпо двум причинам; внешняя секция подвергаетсявоздействию лишь слабых рассеянных переменныхполей внутренней секции, которая находится всильном постоянном поле внешней секции и поэтому для большей ее части циклы перемагничивания.смещены в область повышенного поля, где гистерезисные потери невелики. Кроме того, амплитудаэтих циклов для значительной части внутреннейсекции меньше амплитуды переменного поля, действие которого несущественно зависит от способавозбуждения магнитного поля, Именно во внутренней секции и располагают каналы с хладагентом для отвода выделяющегося тепла в отличие от равномерного распределения каналов по всей обмотке в известном случае.Увеличение допустимой скорости изменения магнитного поля без накопления тепла в обмотке по заданному закону достигают следующим образом,Внутреннюю секцию, например, питают током;Э (О,+51 ъ и 1 ), если 2 Л и ( в 1( л (2 п+ 1 ) О,Г, если (2 п 177ш+с 2 Я(пффф)Внешнюю секцию питают токомО,К 1если 27 гп с э 1 ч (2 п+1)л (Э (о,-ь 1 исоФ),Если (2 п+1)7 ав 1 Л(п+Л,где и =0,1,2,3,Суперпозиция магнитных полей секции имеет требуемый характер, а режим тепловыделения такой, что после периода изменения поля в обмотке, во время которого происходит максимальное тепловыделение, имеется выдержка, в течение которой тепловыделение уменьшено, и тепло может быть отведено за это время от обмотки. Экспери. ментальная проверка предлагаемого способа пока. зала, что при применении данного способа для получения переменых полей, тепловыделения в обмотке уменьшаются в 2 — 3 раза, а скорость изменения магнитного поля может быть увеличена приблизительно вдвое. Формула изобретения Способ создания переменного магнитного поля во внутренней рабочей области многосекционной сверхпроводящей обмотки с коаксиальным расположением секций путем изменения тока в секциях обмотки, о тли ча ющи й с я тем, что, с целью уменьшения тепловыделений в обмотке и увеличения конструктивной плотности тока при суперпозиции магнитных полей, создаваемых секциями, с заданными временными изменениями и пространственной конфигурацией, внутренние секции питают током, имеющим постоянную составляюшую и переменную с периодически дискретным возраста. нием амплитуды, во время которого во внешних секциях ток поддерживают постоянным и уменьшают его на время, когда ток во внутренних секциях поддерживают постоянным.аказ 5993/3 снос омитета Совета Микистений и открытий5, Раунская наб., д. 4/ иал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная по делам изоб13035, Москва,Ж ов 1 Х

Заявка

ПРЕДПРИЯТИЕ ПЯ А-1758

КЛИМЕНКО ЕВГЕНИЙ ЮРЬЕВИЧ, НОВИКОВ СТАНИСЛАВ ИОСИФОВИЧ

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