XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

За последние сто лет физики и инженеры не утратили интереса к проблеме получения все более сильных магнитных полей. Этот интерес в первую очередь обусловлен разнообразием применений в сильных областях исследований и технологий. В то же время эффекты, сопровождающие создание таких полей, настолько разнообразны и интересны, что их изучение позволяет получить много новой информации о диффузии поля в проводящую среду, о возникновении и развитии различных магнитогидродинамических токов, о фазовых переходах в металлах и об их свойствах при высоких температурах и давлениях. Кроме того, следуя установившейся традиции, мы назовем поля с индукцией более 10 тонн. Рекомендуется называть поля с индукцией выше 100 тонн (1 миллион тонн) сверхсильными (или мегагауссными). В этом диапазоне можно выделить мультимегагауссные поля, индукция которых превышает 400-500 Т. Особенность сверхсильных полей заключается в том что при воздействии на проводящие тела в условиях выраженного скин-эффекта превышаются как порог механической прочности, так и порог плавления поверхностного слоя. В многомегагауссном поле происходит взрыв скин-слоя - его испарение, сопровождающееся потерей проводимости. Амплитуда индукции поля, получаемая в магнитах различных типов, ограничена нагревом обмотки выше допустимого уровня и ее разрушением под воздействием электромагнитных сил. Проблема нагрева особенно важна в магнитах, предназначенных для создания постоянных полей и не использующих сверхпроводники. Уровень полей, получаемых в таких магнитах со сложными системами охлаждения, ограничен значениями индукции в масштабе 20 Т. Использование сверхпроводников, работающих при температуре жидкого гелия, позволяет устранить проблему нагрева, что позволяет создавать стационарное поле с индукцией примерно до 20 тонн.. Самые высокие значения индукции могут быть достигнуты за счет использовании высокотемпературных сверхпроводников с высоким критическим полем и большим критическим током. Дальнейший прогресс в области применения сверхпроводящих магнитов в значительной степени связан с решением проблем их прочности. Нагрев обмотки можно значительно уменьшить, если сократить длительность протекания в ней тока, то есть создавать поле в виде достаточно коротких импульсов [1].

Методы получения сильных магнитных полей

Разряд на одновитковый соленоид

Самым простым методом получения сверхсильных импульсных магнитных полей  с магнитной индукцией в диапазоне 100...400 тесла является разряд ёмкостных накопителей энергии на одновитковые соленоиды (соленоид - это однослойная катушка цилиндрической формы, витки которой намотаны вплотную, а длина значительно больше диаметра).

Рис. 1 Одновитковый соленоид [2]

Внутренний диаметр и длина используемых катушек обычно не превышают 1 см. Их индуктивность невелика (наногенетические единицы), поэтому для генерации в них сверхсильных полей требуются мегаамперные токи. Они получены с использованием высоковольтных (10-40 киловольт) конденсаторных батарей с низкой собственной индуктивностью и запасенной энергией от десятков до сотен килоджоулей. При этом время нарастания индукции до максимального значения не должно превышать 2 микросекунд, в противном случае разрушение соленоида произойдет до того, как будет достигнуто сверхсильное магнитное поле.

Рис. 2 Разряд конденсаторной батареи [2]

Воздействие на поверхность ("кожу") играет важную роль из-за значительного увеличения деформации и повреждения соленоида во время тока - ток концентрируется в тонком слое на поверхности соленоида, и плотность тока может достигать очень больших значений. Результатом является наличие области с высокой температурой и магнитным давлением в компоненте соленоида. Уже при индукции 100 Тесла поверхностный слой катушки, также изготовленный из тугоплавких металлов, начинает плавиться, а магнитное давление превышает предел прочности при растяжении самых популярных металлов. При дальнейшем увеличении площади зона плавления расширяется вглубь проводника, и на его поверхности начинается испарение материала. в результате происходит взрывное разрушение материала соленоида ("разрыв поверхностного слоя")Если значение магнитной индукции превышает значение 400 Тесла, то такое магнитное поле имеет плотность энергии, сравнимую с энергией связи атома в твердых телах и намного превышающую плотность энергии химических взрывчатых веществ. в зоне покрытия, как правило, происходит полное разрушение материала катушки со скоростью распространения материала катушки до 1 километра в секунду. [2]

Метод сжатия магнитного потока (магнитная кумуляция)

Метод сжатия магнитного потока (magnetic reserves) используется в лаборатории для получения максимального магнитного поля (до 2800 тл).

Магнитная начальная ось с индукцией B0 и магнитным потоком F = B0S0 и создается внутри проводящей цилиндрической оболочки (футеровки) с радиусом r0 и поперечным сечением S0. Затем симметричная и быстрая футеровка сжимается внешними силами, в то время как ее радиус уменьшается до rf, а площадь переходит в Sf. Пропорционально площади поперечного сечения также уменьшается пропускная способность при проходке футеровки. Изменение магнитного потока в соответствии с законом электромагнитной индукции вызывает появление индуцированного тока в гильзе, создавая магнитное поле, которое стремится компенсировать уменьшение магнитного потока. В этом случае магнитная индукция увеличивается со значением BF = B0 * λ * S0/Sf, где λ - коэффициент сохранения потока [3].

Применение сверхсильных магнитных полей

Начало использованию сильных магнитных полей в физических исследованиях было положено работами советского физика Петра Леонидовича Капицы в конце 1920-х годов. Сверхсильные магнитные поля используются при изучении гальваномагнитных, термомагнитных, оптических, магнитооптических, резонансных явлений. Они применяются, в частности:

для исследования эффекта Фарадея (эффект Фарадея – поворот на угол β плоскости поляризации линейно поляризованного светового луча, проходящего через изотропную среду, находящуюся в магнитном поле);

для исследования эффекта Зеемана (эффект Зеемана - расщепление энергетических уровней и спектральных линий атомов под воздействием магнитного поля)[4]

для изучения свойств веществ в экстремальных условиях, так как энергия магнитного поля напряжённостью 1000...1500 Тл превышает энергию связи частиц в твёрдых телах, а магнитное давление превышает давление в центре Земли. Это может быть использовано, например, для сжатия водорода. В химических реакциях, отдавая электрон, водород ведет себя как металл, но для полноценного металла водороду не хватает кристаллической решетки. Существует предположение, что при температурах, приближенных к абсолютному нулю, и давлении в миллионы атмосфер, возможно образование кристаллической решетки водорода с удивительными свойствами, например, сверхпроводимостью;

в оружии электромагнитного импульса (ЭМИ). [5]

Заключение

Какие удивительные открытия последуют из экспериментов на сильных магнитных полях в 100 Тл, можно даже представить. Этот проект может стать ключевым событием в развитии современной физики и дать России передовые технологии, которые выведут нас на принципиально новый экономический уровень в мире. Сильные магнитные поля можно использовать во многих сферах жизни человека, это позволит не только расширить знания в области физики, но и улучшить некоторые аспекты жизни.

Список литературы

Лагутин А.С., Ожогин В.И.. Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперименте. М.: Энергоатомиздат, 1988.

Генерация сильных магнитных полей: https://textarchive.ru/c-1851440.html

Монтгомери Д. Получение сильных магнитных полей с помощью соленоидов. М.: Мир, 1971. 12. Карасик В.Р. Физика и техника сильных магнитных полей. М.: Наука, 1964.

Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля. М.: Мир, 1972.

Паркинсон Д., Малхолл Б. Получение сильных магнитных полей. М.: Атомиздат, 1971.

Код для цитирования: Скопировать