XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

За последние годы физики и инженеры не утратили интереса к проблеме получения полей с различной конфигурацией силовых линий магнитного поля [1-2]. Этот интерес в первую очередь обусловлен с увеличением разнообразия применений в исследованиях и технологиях [3]. В то же время эффекты, позволяющие создавать таких полей, настолько разнообразны, что их изучение дает возможность получить много новой информации о диффузии поля в среды, о возникновении и развитии различных магнитогидродинамических токов, о фазовых переходах в магнитных средах, об их свойствах при особых физических условиях [4]. Величина индукции поля, получаемая в магнитах различных типов, ограничена эффектом нагрева обмотки и при превышении допустимого уровня разрушается при совместном воздействии электромагнитных сил и плавления (фазового перехода) [5]. Проблема нагрева особенно важна в магнитах, предназначенных для создания постоянных полей, в которых не используется обмотка из сверхпроводников. Уровень полей, получаемых в магнитах со сложными системами охлаждения, ограничен величиной индукции порядка 20 Тл. Использование сверхпроводников, работающих при температуре жидкого гелия, позволяет устранить проблему нагрева, что позволяет создавать существенно более высокое стационарное поле. Прогресс в области применения сверхпроводящих магнитов в значительной степени связан с использованием высокотемпературных сверхпроводников и решением проблем повышения их прочности. Одним из важных направлений является создание однородных магнитных полей в больших областях пространства.

Методы получения магнитных полей

Основным требованием к конструкциям катушек, генерирующим внешнее, постоянное магнитноеполеB₀являетсяобеспечениемаксимальнойпространственнойобластиоднородностиполя.

Самым простым источником магнитного поля является одновитковый соленоид (соленоид - это однослойная катушка цилиндрической формы, витки которой намотаны вплотную, а длина значительно больше диаметра) [5,6].

Рис.1. Одновитковый соленоид

Внутренний диаметр и длина таких катушек на практике обычно не превышают 1 см. Для генерации с их помощью сильных полей требуются мегаамперные токи, поэтому они используются, в основном, для создания импульсных полей путем разряда на соленоиде высоковольтных (10-40 киловольт) конденсаторных батарей (рис.2).

Рис.2.Разряд конденсаторной батареи

Для решения этой задачи предложено множество конструкций. Рассмотрим некоторые конструкции такихкатушек. Виток Ампера является простейшей конструкцией, порождающей однородное магнитное поле(рис. 3.1). Другой простейшейконструкцией для генерации однородного магнитного поля является прямоугольная рамка с током(рис. 3.2).Наиболеечастодлягенерацииоднородного магнитногополя используют катушки Гельмгольца, которые состоят из двух соосных витковтока одного радиуса (рис. 3.3). Установлено, что максимальный объём однородности магнитного полядостигается,когдарасстояниемеждукатушкамиприблизительноравнорадиусукатушки.КатушкиФанселау[3]представляют собой соосныевиткиквадратной формы(рис. 3.4).

Рис. 3.Простейшие конструкции катушки для создания магнитного поля: «1»– виток (катушка)Ампера;«2»–прямоугольнаярамкастоком;«3»–катушкиГельмгольца;«4»–квадратныекатушки Фанселау.

Анализоднородностимагнитногополякатушекпоказывает,чторазличиевхарактеристикахкатушекнесущественно.ДалеебудемрассматриватьконструкциикатушекнаосновекатушекГельмгольца,предполагая,чтоаналогичныеконструкциинаосновекатушекФанселаудают близкиепоказателикачества.

Последующееразвитиеконструкцийкатушексвязаносрешениемзадачиувеличенияобластиоднородностиполяиосновано наиспользованиинесколькихсоосныхкатушекГельмгольца.КатушкиБэкера [5] представляют собой четыре соосных катушек одного и того диаметра (рис. 4.1). Число витковвнешних катушек больше, чем число витков внутренних в соотношении 2,26044. Эти катушки обеспечиваютобъём однородности сферической формы примерно вдвое больше по диаметру, чем аналогичный объём,обеспечиваемыйкатушкамиГельмгольца.

КатушкаМакКиханасостоитиздвухпарсоосныхвитковразного радиуса, вписанных в поверхность сферы (рис. 4.2). Конструкция катушек Браунбека[6] включает две пары витков разного радиуса, причем внешниевитки имеют меньший радиус, чем внутренние. В целом конструкция вписана в поверхность эллипсоида(рис. 4.3). Отметим, что катушка МакКихана,является частным случаем катушек Браунбека. Конструкция бипланарных катушек Моргана представленана рис. 4.4. В биполярных катушках отношение числа витков катушек большего радиуса к числу витковкатушекменьшегорадиусасоставляет35,75.

Рис. 4. Катушкидлясозданияоднородногомагнитногополя:«1» – катушкиБэкера;«2» –катушкиМакКихана,«3»–КатушкиБраунбека,«4»– бипланарныекатушкиМоргана.

Рис.5. Структура катушки

Применение магнитных полей

Сильные 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 гиротропную (феррит, плазма) среду, находящуюся в магнитном поле);

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

для изучения свойств веществ в экстремальных условиях, так как энергия магнитного поля напряжённостью ~10³ Тл превышает энергию связи частиц в твёрдых телах, а магнитное давление превышает давление в центре Земли. Это может быть использовано, в частности, для сжатия водорода. В химических реакциях, отдавая электрон, водород ведет себя как металл, но для 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.

Рис .6. Катушка Гельмгольца

Результаты расчета магнитного поля, создаваемого системами колец токов, для некоторых конфигураций показаны на рис.7.

Рис.7. Изменение структуры при изменении конфигурации системы, расстояние между соседними кольцами одинаково h=10 см, (1 - три кольца одинакового радиуса 10 см, 2- два крайних кольца того же радиуса, среднее кольцо имеет радиус 12 см, 3 - среднее кольцо имеет радиус 20 см, 4 – два кольца, расположенные на расстоянии 20 см друг от друга, среднее кольцо отсутствует) [7].

Заключение. Создание однородных сильных полей является актуальной задачей и решается с помощью кольцевых структур различной конфигурации.

Список литературы

Монтгомери Д. Получение сильных магнитных полей с помощью соленоидов. М.: Мир, 1971. 12.

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

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

4. RobinsonP.R.Improvementstothe systemof fourequiradialcoils forproducinga uniformmagnetic field. J.Phys.E:Sci.Instrum.1983.v.16. p.39-42.

5. MisakianM.EquationsfortheMagneticFieldProducedbyOneorMoreRectangularLoopsofWireintheSamePlane.J.Res. Natl.Inst. Stand.Technol.,2000.v.105.pp.557-564.

6. NessN.F.“Magnetic fields:Reasonsfor simulationmethodsavailable”//NASA-GoddardSpaceFlightCenter.GreenbeltMaryland,1964. p.53.

7. Глущенко А.Г., Глущенко А.А., Глущенко В.А. Научное обозрение. Техническиенаука. 2023. №1. с.23.

Код для цитирования: Скопировать