XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

В течение более ста последних лет среди физиков и инженеров не убывает интерес к проблеме получения всё более сильных магнитных полей. Этот интерес вызван, в первую очередь, различными применениями сильных полей в исследованиях и в технологии. Вместе с тем эффекты, сопровождающие получение сильных магнитных полей настолько разнообразны и перспективны, что их изучение позволяет получить много новых сведений о диффузии поля в проводящую среду, о возникновении и развитии разнообразных магнитогидродинамических течений, о фазовых переходах в металлах и об их свойствах при высоких температурах и давлениях [2].

Потребность в применении сильных магнитных полей ощущается почти во всех основных областях физики: в физике высоких энергий, в физике твердого тела, в геофизике, в биофизике и биосенсорике.

Хотя первые шаги к получению сильных магнитных полей были предприняты еще 30 лет назад, однако только теперь эта задача привлекла к себе такое же пристальное внимание и широкую поддержку, которые явились залогом успеха в других отраслях науки, например при создании телескопов, ускорителей частиц, ядерных реакторов и больших счетных машин. Первая попытка в области получения сильных магнитных полей была предпринята в 1963 г., когда была основана Национальная лаборатория при Массачусетсом технологическом институте [1].

Четыре основных магнитных эффектов

Магнитное поле можно лучше всего понять, если описать четыре основных эффекта, посредством которых можно обнаружить это поле:

1) Постоянное однородное магнитное поле заставляет поворачиваться магнитный диполь; говорят, что на диполь действует вращающий момент.

2) Однородное постоянное магнитное поле искривляет траекторию движения электрического заряда.

3) Если поле неоднородно, т. е. каким-то образом меняется в пространстве, то оно заставляет магнитный диполь двигаться.

4) Если поле непостоянно во времени, то оно заставляет двигаться электрический заряд (рис. 1).

Наиболее известным примером магнитного диполя является магнитная стрелка. Следя за ее поведением в магнитном поле Земли, Уильям Гильберт еще в 1600 г. сделал вывод о том, что Земля — тоже магнитный диполь, только гигантских размеров [1].

Получение магнитных полей

Сильные магнитные поля можно получать, пропуская через катушку или соленоид сильный ток. Чем больший ток течет через катушку, тем большее магнитное поле он создает. Но если катушка обладает электрическим сопротивлением, то в ней выделяется тепло. Приходится тратить огромную энергию на поддержание тока, возникают серьезные проблемы, связанные с отводом тепла (иначе катушка может расплавиться). Так, в 1937 г., впервые было получено магнитное поле с индукцией 10 Тл. Но поддерживать это поле удавалось только ночью, когда другие потребители электростанции, подающей ток в обмотку, были отключены. Выделившееся тепло отводилось проточной водой, и при этом каждую секунду 5 литров воды доводились до кипения. Именно это и ограничивает возможности получения сильных магнитных полей в обычных соленоидах [3].

Идея использования сверхпроводимости для создания сильных магнитных полей возникла сразу после ее открытия. Казалось бы, все, что требуется, — это намотать из сверхпроводящей проволоки катушку, замкнуть ее концы и пустить по такому контуру достаточно сильный ток. Так как электрическое сопротивление катушки равно нулю, то выделения тепла не происходит. И хотя охлаждение соленоида до температур жидкого гелия, при которых наступает сверхпроводимость, создает определенные трудности, преимущества окупили бы недостатки, если бы... магнитное поле само не разрушало сверхпроводимость [3].

Оказалось, однако, что выход все-таки есть. Найти его позволили законы квантовой механики, которые в сверхпроводниках могут работать в макроскопических масштабах [3].

Создание установки для получения сильного магнитного поля включает в себя следующие этапы:

1. Расчёт поля соленоида и выбор его геометрической формы, обеспечивающей требуемую конфигурацию поля, а также расчёт тока, необходимого для питания магнитной системы.

2. Выбор источника энергии и согласование его с нагрузкой.

3. Расчёт механических напряжений в обмотке соленоида.

4. Анализ тепловых процессов в катушках [2].

Соленоиды

Соленоиды бывают различных типов: многовитковые многослойные катушки, спирали плоские и геликоидальные, набранные из дисков и цельноточеные из металлических прутков, одновитковые и др. По своему значению они делятся на два больших класса: соленоиды для получения стационарных магнитных полей, то есть таких полей, которые могут по желанию экспериментатора долго держаться при определенных фиксированных значениях, и соленоиды для получения импульсных магнитных полей, существование которых возможно лишь в течение короткого времени (в общем случае не более 1 секунды). С помощью соленоидов первого типа генерируются поля до 2,5 ⋅ 10⁵ Э. Импульсные соленоиды позволяют получить поля до 5 ⋅ 10⁶ Э. Принято поля в диапазоне 10⁵ – 10⁶ Э называть сильными, а свыше 10⁶ Э – сверхсильными. Если во время получения поля соленоиды не деформируются и не сильно нагреваются, то поле в них пропорционально протекающему току: Н = kI, где k – константа соленоида, которая поддается точному расчету [4].

Установки для получения сильных магнитных полей состоят из трех основных частей: источника постоянного тока, соленоида и системы охлаждения. При конструировании соленоида исходят из величины его внутреннего канала d, приемлемого для проведения опытов, и имеющейся мощности источника тока W. Обычно значение d порядка 3 – 5 см. Встает вопрос, как при этих заданных параметрах получить максимальное поле. Эта задача решается точно. Рассмотрим два практически важных случая. Пусть соленоид намотан проводом, тонким по сравнению с размерами круглого каркаса, который имеет прямоугольное осевое сечение. В этом случае ток будет равномерно распределен по всему сечению обмотки. Поле в центре рабочего канала соленоида дается выражением

где λ – коэффициент заполнения, равный отношению объема металлического проводника обмотки к объему, занимаемому всей обмоткой (λ < 1), ρ – удельное сопротивление проводника в Ом ⋅ см, g – коэффициент, зависящий лишь от геометрии осевого сечения объема обмотки, то есть от относительных размеров α = D/d и β = l/d, где D – внешний диаметр, а l – длина соленоида. Максимальное значение g = 0,18 достигается при α = 3, β = 2. При любых других значениях α и β и прочих равных условиях магнитное поле будет меньше [4].

Применение сверхсильных магнитных полей

Н
ачало использованию сильных магнитных полей в физических исследованиях было положено трудами советского физика Петра Леонидовича Капицы в конце 1920-х годов. Сверхсильные магнитные поля применяются в исследованиях гальваномагнитных, термомагнитных, оптических, магнитно-оптических, резонансных явлений [5].

Рис. 2 – Применение сверхсильных магнитных полей

Код для цитирования: Скопировать