Профессор университета Дьюка (Дюрэм, штат Северная Каролина, США) Ярослав Уржумов предложил метод усиления магнитной составляющей электромагнитных колебаний без увеличения при этом их электрической составляющей. Дело в том, что биологические ткани для магнитных полей прозрачны, и было бы полезно научиться усиливать именно магнитную составляющую электромагнитных колебаний.

Это открыло бы путь к созданию безопасных левитирующих поездов, к построению новых систем беспроводной передачи энергии, и к решению ряда других задач, где есть потребность в сильных переменных магнитных полях, и в то же время это должно быть безопасным для человека. Новые системы будут экономичнее и безопаснее уже существующих аналогов.

Для получения требуемого результата, Ярослав Уржумов предложил использовать магнитно-активный метаматериал, благодаря которому можно получать достаточно сильные магнитные поля, используя при этом ток сравнительно малой силы. Такое решение позволило бы снизить электрические поля, являющиеся в данном случае паразитными, и создавать безопасные и мощные электромагнитные системы.

Численное моделирование, проведенное Ярославом и его коллегами, показало, что созданные на основе метаматериалов с отрицательной магнитной проницаемостью, макроскопические объекты способны при ряде условий усиливать магнитные силы в низкочастотных полях. Это явление исследователи назвали магнитостатическим поверхностным резонансом, который по принципу похож на имеющий место в оптике плазмонный поверхностный резонанс, проявляющийся в материалах с отрицательной диэлектрической проницаемостью.

Смоделированный учеными метаматериал, отличающийся очень высокой, особой анизотропией, обладает отрицательной в одном направлении магнитной проницаемостью, а во всех остальных направлениях магнитная проницаемость положительна. Судя по расчетам, изготовленные объекты будут способны резко усиливать магнитное поле именно за счет резонанса.

Применение этого явления в системах магнитной левитации позволит увеличить массу поднимаемых объектов во много раз, причем затраты электроэнергии, по сравнению с традиционными аналогами, не возрастут. Автор разработки, бывший студент московского физтеха, Ярослав Уржумов уверен в успехе.

Новые системы необычного управления магнитными силами в электромагнитных полях смогут работать и в других областях, как то: крохотные оптические пинцеты для удерживания атомов, или новейшее электромагнитное оружие. Сюда же могут быть отнесены и системы технологии WiTricity, служащие для беспроводной передачи энергии посредством сильного пульсирующего магнитного поля, которые совершенно безвредны как для людей, так и для животных.

В соответствии с моделями Ярослава, группа экспериментаторов Бостонского колледжа (Бостон, штат Массачусетс, США) создает прототип такого метаматериала, можно сказать, магнитного усилителя.

Что касается беспроводной передачи посредством магнитных полей, то совсем недавно, совместно с институтом «Тойота», группа Ярослава Уржумова продемонстрировала весьма практичную передачу электроэнергии на расстояние посредством низкочастотных магнитных полей.

Для повышения эффективности передачи, ученые соорудили квадратную суперлинзу, которая помещалась между передатчиком и приемником. Квадратная линза состояла из множества кубиков, покрытых спиралевидными проводниками. Полученные конструкции, обладающие свойством метаматериала, взаимодействуя с магнитными полями, передавали энергию в узком конусе с максимальной интенсивностью.

По одну сторону от суперлинзы помещалась катушка – передатчик, по которой пропускался переменный ток, создававший переменное магнитное поле. Это магнитное поле, как и положено, снижало свою интенсивность пропорционально квадрату расстояния о тпередатчика, однако благодаря суперлинзе, передатчик, расположенный по другую сторону от нее, принимал достаточное количество энергии даже на расстоянии 30 см. Без применения промежуточной линзы, расстояние передачи не превышало 7,6 см.

Ученый рассказал, что такая беспроводная передача при помощи метаматериалов уже проводилась в лаборатории Mitsubishi Electric, но только на дистанцию, не превышающую размеры передатчика. Теперь же, с применением именно магнитных полей, достигается высокая безопасность и эффективность. Магнитные поля не сильно поглощаются большинством материалов, к тому же магнитные поля индукцией до 3 Тл безопасны, и уже используются в томографии.

В перспективе на этой основе возможно создание беспроводных зарядных мини-устройств для электронных гаджетов. Суперлинзы будут фокусировать магнитные поля для зарядки конкретного устройства, причем параметры линз смогут меняться, и фокус будет перемещаться в пространстве, например, следуя за смартфоном, который его владелец носит по комнате, постоянно меняя местоположение.

Источник

§17. Магнитное поле проводника с током и способы его усиления

Магнитное поле проводника с током.

При прохождении тока по прямолинейному проводнику вокруг него возникает магнитное поле (рис. 38). Магнитные силовые линии этого поля располагаются по концентрическим окружностям, в центре которых находится проводник с током.

Рис. 38. Магнитное поле вокруг прямолинейного проводника с током

Направление магнитного поля вокруг проводника с током всегда находится в строгом соответствии с направлением тока, проходящего по проводнику. Направление магнитных силовых линий можно определить по правилу буравчика. Его формулируют следующим образом.

Если поступательное движение буравчика 1 (рис. 39, а) совместить с направлением тока 2 в проводнике 3, то вращение его рукоятки укажет направление силовых линий 4 магнитного поля вокруг проводника. Например, если ток проходит по проводнику в направлении от нас за плоскость листа книги (рис. 39, б), то магнитное поле, возникающее вокруг этого проводника, направлено по часовой стрелке. Если ток по проводнику проходит по направлению от плоскости листа книги к нам, то магнитное поле вокруг проводника направлено против часовой стрелки.

Рис. 39. Определение направления магнитного поля по правилу буравчика.

Чем больше ток, проходящий по проводнику, тем сильнее возникающее вокруг него магнитное поле. При изменении направления тока магнитное поле также изменяет свое направление.По мере удаления от проводника магнитные силовые линии располагаются реже. Следовательно, индукция магнитного поля и его напряженность уменьшаются.

Напряженность магнитного поля в пространстве, окружающем проводник,

H = I/(2πr) (44)

Максимальная напряженность Н_max имеет место на внешней поверхности проводника 1 (рис. 40). Внутри проводника также

Рис. 40. Кривая распределения напряженности магнитного поля Н вокруг и внутри проводника с током.

возникает магнитное поле, но напряженность его линейно уменьшается по направлению от внешней поверхности к оси (кривая 2). Магнитная индукция поля вокруг и внутри проводника изменяется таким же образом, как и напряженность.

Способы усиления магнитных полей.

Для получения сильных магнитных полей при небольших токах обычно увеличивают число проводников с током и выполняют их в виде ряда витков; такое устройство называют обмоткой, или катушкой.

При проводнике, согнутом в виде витка (рис. 41, а), магнитные поля, образованные всеми участками этого проводника, будут внутри витка иметь одинаковое направление. Поэтому интенсивность магнитного поля внутри витка будет больше, чем вокруг прямолинейного проводника. При объединении витков в катушку магнитные поля, созданные отдельными витками, складываются (рис. 41, б) и их силовые линии соединяются в общий магнитный поток.

Рис. 41. Магнитные поля, созданные витком с током (а) и катушкой (б)

При этом концентрация силовых линий внутри катушки возрастает, т. е. магнитное поле внутри нее усиливается. Чем больше ток, проходящий через катушку, и чем больше в ней витков, тем сильнее создаваемое катушкой магнитное поле.

Магнитное поле снаружи катушки также складывается из магнитных полей отдельных витков, однако магнитные силовые линии располагаются не так густо, вследствие чего интенсивность магнитного поля там не столь велика, как внутри катушки. Магнитное поле катушки, обтекаемой током, имеет такую же форму, как и поле прямолинейного постоянного магнита (см. рис. 35, а): силовые магнитные линии выходят из одного конца катушки и входят В другой ее конец.

Поэтому катушка, обтекаемая током, представляет собой искусственный электрический магнит. Обычно для усиления магнитного поля внутрь катушки вставляют стальной сердечник; такое устройство называется электромагнитом.

Электромагниты нашли чрезвычайно широкое применение в технике. Они создают магнитное поле, необходимое для работы электрических машин, а также электродинамические усилия, требуемые. Для работы различных электроизмерительных приборов и электрических аппаратов.

Электромагниты могут иметь разомкнутый или замкнутый магнитопровод (рис. 42). Полярность конца катушки электромагнита можно определить, как и полярность постоянного магнита, при помощи магнитной стрелки. К северному полюсу она поворачивается южным концом.

Рис. 42. Электромагниты с разомкнутым (а) и замкнутым (б) магнитопроводом

Для определения направления магнитного поля, создаваемого витком или катушкой, можно использовать также правило буравчика. Если совместить направление вращения рукоятки с направлением тока в витке или катушке, то поступательное движение буравчика укажет направление магнитного поля.

Полярность электромагнита можно определить и с помощью правой руки. Для этого руку надо положить ладонью на катушку (рис. 43) и совместить четыре пальца с направлением в ней тока, при этом отогнутый большой палец покажет направление магнитного поля.

Рис. 43. Определение полярности электромагнита с помощью правой руки

Источник