16

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Актуальность исследования. Развитие науки немыслимо без проведения экспериментальных исследований. Получаемые при этом опытные факты ценны главным образом тем, что приводят к открытию новых, не предсказанных ранее явлений. На их основе появляется возможность создавать приборы, работающие на новых принципах. Последние оказываются либо более чувствительными и позволяют глубже и шире исследовать уже известную область науки, либо вооружают ученых для поиска новых явлений. Открытие явления, исследование его, изобретение на его основе прибора и дальнейшие исследования с помощью нового прибора - этапы построения здания науки об окружающем материальном мире.

В самом общем виде можно сказать, что в науке для познания Природы используются в качестве инструментов различного рода взаимодействия и поля. Воздействуя на вещество тем или иным полем, изучают отклик вещества на это воздействие. Анализируя его, делают заключение о природе явления. Наиболее эффективным средством воздействия является магнитное поле, так как магнетизм - широко распространенное свойство веществ.

Цель настоящей статьи - дать качественное описание наиболее распространенных методов получения магнитных полей. Большая часть этих методов является результатом развития научных знаний и достижений техники последних десятилетий. При этом они бурно развиваются и в настоящее время, так как потребность в них велика в силу ощущения открытия новых горизонтов для развития, как научных знаний, так и техники.

Хотя магнетизм был известен человеку с древних времен, магнитное поле становится инструментом научных исследований только после открытия датским физиком Эрстедом в 1820 году связи между током и магнитным полем: электрический ток порождает магнитное поле. Это дало начало новому разделу физики - электромагнетизму. Металлический провод с током, свернутый в катушку (соленоид), вскоре после этого открытия и был первым генератором постоянного магнитного поля. Техника этого времени и долгое время после не позволяла получить сколько-нибудь сильные магнитные поля с помощью соленоидов, и основным устройством для этого был электромагнит - система из железного сердечника, помещенного в магнитное поле соленоида. Железо усиливает поле соленоида в сотни раз. Но поле электромагнита ограничено по величине практическими пределами. Поэтому с середины двадцатых годов нашего столетия более сильные магнитные поля стали получать с помощью специальных соленоидов, используя при этом весь накопленный арсенал достижений науки и техники

Цель исследования - Изучить физические основы и методы получения магнитных полей.

Задачи исследования:

1. Дать общую характеристику магнитного поля.

2. Рассмотреть основные методы получения магнитных полей.

Структура работы. Работа состоит из введения, 2 глав, заключения и списка использованной литературы.

1. Общая характеристика магнитного поля

В XIX веке была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом и возникло представление о магнитном поле. По современным представлениям, проводники с током оказывают силовое действие друг на друга не непосредственно, а через окружающие их магнитные поля.

Источниками магнитного поля являются движущиеся электрические заряды (токи). Магнитное поле возникает в пространстве, окружающем проводники с током, подобно тому, как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле. Магнитное поле постоянных магнитов также создается электрическими микротоками, циркулирующими внутри молекул вещества (гипотеза Ампера). [3, c. 74]

Для описания магнитного поля необходимо ввести силовую характеристику поля, аналогичную вектору напряженности  электрического поля. Такой характеристикой является вектор магнитной индукции Вектор магнитной индукции определяет силы, действующие на токи или движущиеся заряды в магнитном поле.

За положительное направление вектора принимается направление от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Таким образом, исследуя магнитное поле, создаваемое током или постоянным магнитом, с помощью маленькой магнитной стрелки, можно в каждой точке пространства

Для того, чтобы количественно описать магнитное поле, нужно указать способ определения не только направления вектора но и его модуля.

Модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимального значения силы Ампера, действующей на прямой проводник с током, к силе тока I в проводнике и его длине ?l:

В общем случае сила Ампера выражается соотношением:

F = IB?l sin ?.

Это соотношение принято называть законом Ампера.

В системе единиц СИ за единицу магнитной индукции принята индукция такого магнитного поля, в котором на каждый метр длины проводника при силе тока 1 А действует максимальная сила Ампера 1 Н. Эта единица называется тесла (Тл). [5, c. 91]

Тесла - очень крупная единица. Магнитное поле Земли приблизительно равно 0,5·10-4 Тл. Большой лабораторный электромагнит может создать поле не более 5 Тл.

Сила Ампера направлена перпендикулярно вектору магнитной индукции и направлению тока, текущего по проводнику. Для определения направления силы Ампера обычно используют правило левой руки: если расположить левую руку так, чтобы линии индукции входили в ладонь, а вытянутые пальцы были направлены вдоль тока, то отведенный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник.

2. Основные методы получения магнитных полей

1. Электромагниты

Электромагниты до сих пор не утратили своего значения и широко применяются в науке и технике. Это связано со сравнительной простотой и дешевизной получения стационарных постоянных полей, пригодных для многих научных задач.

Рассмотрим простейшее устройство: многовитковую и многослойную катушку, намотанную на круглый сердечник, выполненный в виде замкнутого кольца. Положим, что размеры сечения ферромагнетика существенно меньше размеров кольца. По катушке течет ток I. Он создает поле Н = 0,4pnI, где n - плотность числа витков обмотки на 1 см. Это поле наводит в ферромагнетике дополнительное поле Нф. Суммарное поле (магнитная индукция) В = Н + Нф. [2, c. 104]

Для качественного описания работы электромагнита можно допустить, что до некоторого значения H = Ннас величина Нф существенно и линейно зависит от Н, а в больших полях практически не зависит от него (ферромагнетик насыщается). Тогда при Н < Hнас В = mН, где m - магнитная проницаемость. Видно, что в полях соленоида, больших Ннас, прирост магнитного поля В возможен лишь за счет поля соленоида.

Практически для технически чистого железа (мягкие стали) величина m ї 100, а Внаc ї mHнас около 2 «104 Э. Ряд сплавов обладает несколько большим значением Внас. Так, пермендюр (сплав 50% Fe + + 50% Co) имеет Внас = 2,4» 104 Э. Еще большее значение Внас ї 3 " 104 Э имеет поликристаллический диспрозий, но он редко применяется, так как ферромагнитные свойства проявляются в нем ниже комнатных температур. Поэтому основным материалом для изготовления электромагнитов является железо.

Для того чтобы использовать поле В, необходимо ферромагнетик разомкнуть. Тогда поле Н0 в образовавшемся пространстве щели, если расстояние d между торцами d! D (где D - диаметр сечения щели), будет совпадать с В, H0 ї B. При увеличении d величина Н0 будет уменьшаться из-за неизбежного рассеяния магнитного потока в пространстве. В общем случае Н0 < B < Bнас.

Практически электромагниты делают из двух железных цилиндров (полюса) радиуса r, на которые насажены короткие катушки; максимальное поле катушек обычно не превышает 500 - 1000 Э. Полюсы плотно вставляются в железное ярмо, замыкающее магнитный поток. Между оставшимися свободными торцами, расстояние между которыми d, образуется межполюсное рабочее пространство с размерами d, 2r (рис. 1а). Максимальное поле в нем достигается в центре и дается выражением

H0 = Bср (1 - cos q),

где Вср - некоторое усредненное по поверхности торцов поле, Вср < В < Bнас.

На первый взгляд кажется, что получить поле Н0, большее Внас, варьируя d и r, нельзя. Это действительно так для рассмотренной формы полюсов и их окончаний в межполюсном пространстве (полюсные наконечники). В общем случае за счет другой формы полюсов и особенно формы полюсных наконечников поле Н0 может существенно превосходить поле Внас. Практически это может происходить лишь за счет наращивания массы железа.

2. Соленоиды

Из предыдущего видно, что получить с помощью электромагнита поле, большее, скажем, 105 Э, практически невозможно. Дальнейший путь увеличения поля - использование соленоидов без ферромагнетика. В соленоидах поле генерируется только за счет протекающего тока, и максимально достижимые магнитные поля зависят от величины мощности, которую можно «загнать» в соленоид.

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. [3, c. 117]

Рассмотрим сначала соленоиды стационарного магнитного поля. Они делятся, в свою очередь, на резистивные и сверхпроводящие.

Резистивные соленоиды изготавливаются из материалов, имеющих электрическое сопротивление. Поэтому вся подводимая к ним непрерывно энергия диссипируется в тепло. Во избежание теплового разрушения соленоида это тепло необходимо отводить. Для отвода тепла используется водяное или криогенное охлаждение, что требует дополнительной энергии, подчас сравнимой с той, что необходима для питания самого соленоида.

Сверхпроводящие соленоиды изготавливаются из сверхпроводящих сплавов, электрическое сопротивление которых остается равным нулю при температурах и полях проведения эксперимента. При работе сверхпроводящего соленоида энергия выделяется лишь в подводящих проводах и источнике тока. Последнее вообще может быть исключено, если соленоид работает в короткозамкнутом режиме, когда поле без потребления энергии может существовать сколь угодно долго при сохранении условий существования сверхпроводимости.

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.

Другая конструкция соленоида дает возможность более эффективно использовать имеющеюся мощность, то есть получить большее поле при той же мощности и величине d. Он изготавливается из тонких, обычно медных дисков, разрезанных один раз по радиусу. Диски электрически соединяются внахлест частью своей площади друг с другом, образуя геликоидальную спираль. Между дисками располагается изоляция. Кроме того, диски по многим радиусам имеют круглые или щелевые отверстия, которые при сборке соленоида образуют вдоль его оси сквозные каналы для прокачки охлаждающей жидкости. Начало применению таких соленоидов было положено Френсисом Биттером в конце 30-х годов нашего столетия в США, и поэтому они называются биттеровскими соленоидами. [5, c. 98]

Для водоохлаждаемых соленоидов биттеровского типа дальнейшее увеличение максимального поля Н0 возможно лишь за счет увеличения мощности источника тока. Но при этом должен возрастать перегрев соленоида относительно охлаждающей жидкости. Это ограничивает максимально достижимую величину Н0 для соленоидов стационарного поля: тепловыделение приводит к пленочному кипению охлаждающей жидкости (образование паровой прослойки между металлом и жидкостью), резкому снижению теплосъема и катастрофическому повышению температуры соленоида. Для воды это происходит при потоке мощности около 2000 Вт/см2. Зная оптимальную площадь охлаждения соленоида, можно подсчитать максимально снимаемую мощность. Подсчеты дают (при d = 3 см) примерно 10 МВт и поле около 2 " 105 Э.

Если же уменьшить время работы соленоида так, что соленоид не успеет расплавиться, то максимальное поле будет ограничиваться другим фактором - прочностью соленоида. Электромагнитное взаимодействие токов приводит к двум силам. Одна из них - осевая - сжимает соленоид, другая - тангенциальная - растягивает по радиусу. Они могут привести к пластическому течению материала соленоида и к обрыву обмотки. Для чистой меди предел по механической прочности достигается при Н ї 2 «105 Э. Для материалов типа бронзы и стали он в несколько раз больше Н (до 7» 105 Э). Это используется для генерации импульсных магнитных полей (см. далее).

Создание установки с резистивным соленоидом для генерации стационарных полей - большая научно-техническая задача. Поэтому во всем мире имеется лишь около десяти лабораторий с такими установками (США, Франция, Польша, Япония, Россия). Используются соленоиды разных конструкций, работа которых происходит вблизи теплового предела. Эксплуатация соленоидов требует высококвалифицированного персонала и обходится недешево. Львиная доля расходов идет на оплату электроэнергии. Существование и работа таких соленоидов окупается тем, что здесь исследователи из разных областей физики, приглашаемые из других стран, получают важные научные результаты. [6, c. 126]

Обратимся теперь к сверхпроводящим соленоидам. Как это часто бывает, когда в какой-либо области техники после долгого и трудного пути решается сложная и важная задача, оказывается, что этого же результата можно достичь более простым, экономичным и эффективным методом. Пример тому - получение сильных стационарных полей с помощью сверхпроводящих соленоидов. Из многих замечательных свойств явления сверхпроводимости используется основное: отсутствие ниже определенной характерной температуры Тc (критическая температура) электрического сопротивления у ряда металлов и сплавов. Явление сверхпроводимости было открыто в 1911 году голландским физиком Камерлинг-Оннесом в образцах ртути при Т = 4 К. При температуре кипения жидкого гелия сверхпроводимостью обладают также свинец Pb (Tc = 7,2 K) и ниобий Nb (Tc = 9 K). Это наивысшие значения Tc для элементов.

Сверхпроводимость позволяет изготовлять соленоиды, в которых не происходит диссипация энергии при протекании тока. Но получаемое при этом поле ограничивается тем обстоятельством, что это же поле при достижении определенного значения Нc (критическое поле) разрушает сверхпроводимость и сопротивление восстанавливается. Критическое поле увеличивается при уменьшении температуры от нуля при Tc до максимального значения при Т 0 К. Для чистых металлов это значение невелико: у Pb ~ 800 Э, у Nb ~ 2000 Э. В 50-х годах были открыты сплавы металлов, у которых Tc были в диапазоне 10 - 20 К. Но главное - они обладали колоссальными критическими полями. Несколько практически важных сплавов приведены в таблице 1. Технология получения этих сплавов и изготовление из них материалов для обмоток соленоидов сложна и трудоемка. Поэтому соленоид из них не является дешевым изделием. Но эксплуатация таких устройств проста и дешева, так как для этого требуются лишь жидкий гелий и низковольтный источник тока малой мощности (в большинстве случаев не более 1 кВт). Конструкции соленоидов - это катушки, намотанные из композиционных материалов (из сверхпроводника и меди) в виде одножильных и многожильных проводов, шин и лент.

В настоящее время прогресс в этой области достиг такого уровня, что поля до 105 Э доступны практически для любой лаборатории, а иметь поле до (1,5 - 1,8) " 105 Э - это лишь вопрос финансовых возможностей.

3. Импульсные магнитные поля

Импульсные магнитные поля условно делятся на два класса: класс сильных и класс сверхсильных магнитных полей. В первом магнитное поле получается без разрушения и существенной деформации соленоида; его значение лежит в области до (5 - 7) " 105 Э. Здесь используются главным образом геликоидальные соленоиды, выточенные из прочных материалов (бронзы, стали). Во втором соленоид либо сильно деформируется, либо полностью разрушается; диапазон получаемых с их помощью полей простирается в область свыше 106 Э. Соленоиды для сверхсильных полей - исключительно одновитковые. Они просты и дешевы в изготовлении.

Принципиальная возможность использовать импульсные магнитные поля для научных исследований связана с тем, что характерные времена многих физических явлений и процессов существенно меньше времени существования импульсного поля, так что для них последнее можно рассматривать как квазистационарное. [7, c. 85]

Идея метода получения импульсного магнитного поля была высказана П.Л. Капицей в 1923 году и успешно реализована им в последующей научной деятельности. Идея эта очень проста: для генерации сильного магнитного поля необходима очень большая мощность (H Z I Z W 1/2). Ее можно получить, если сравнительно небольшую энергию Е реализовать за короткий промежуток времени t в соленоиде. Тогда W ї E / t. Существенно, чтобы диссипируемая энергия Е не приводила к тепловому разрушению соленоида. Установки для импульсных магнитных полей состоят из четырех основных частей: источника энергии, накопителя энергии, ключа и собственно соленоида. В 20-е годы наиболее эффективным накопителем энергии оказался специально разработанный Капицей механический накопитель кинетической энергии. Это был генератор переменного тока, сконструированный для работы в короткозамкнутом режиме. Источником энергии был мотор постоянного тока на 60 кВт. Он раскручивал массивный ротор генератора (2,5 тонны) до 3500 об/мин. В момент, когда напряжение проходило через нуль, механический ключ, синхронно работающий с генератором, замыкал цепь генератора на соленоид на время первого полупериода тока. Часть накопленной в роторе кинетической энергии переходила в электрическую. В цепи соленоида развивалась мощность до 50 МВт при токе до 7,2 «104 А. Соленоиды навивались в несколько слоев шиной квадратного сечения. Шина изготавливалась из кадмиевой бронзы, чье электрическое сопротивление было близко к меди, а механическая прочность - к стали. Капице удалось получить поля до 5» 105 Э длительностью ї 0,01 секунды. Он выполнил на своей установке исследования по физике твердого тела, которые стали классическими.

В последующем в послевоенные годы в этом методе претерпели изменения лишь основные узлы установки: источник энергии - высоковольтные выпрямители постоянного тока, накопители - батареи высоковольтных конденсаторов большой емкости, ключи - вакуумные разрядники. Конденсаторные батареи при емкости в несколько тысяч микрофарад и напряжении до 30 кВ способны накопить энергию в несколько мегаджоулей и получать в импульсе мощность в десятки мегаватт.

По существу, после того как заряженная батарея конденсаторов замыкается на соленоид, электрическая цепь является колебательным контуром, в котором возникают свободные затухающие колебания тока:

I = I0e - kt sin wt,

где k = R / L, частота

Соответственно L, C, R - индуктивность, емкость и сопротивление всей цепи.

При слабом затухании I0 можно оценить из баланса энергии:

Метод, аналогичный описанному, применяется и для получения сверхсильных магнитных полей. Увеличение мощности происходит за счет уменьшения длительности импульса (интервал t перемещается в область микросекунд). Но это одноразовые опыты, так как соленоиды разрушаются. Жертвуя соленоидом и всем, что находится внутри него, удается получать поля 5 " 106 Э. Это рекорд. Он достигнут в Институте атомной энергии РАН в Москве.

4. Сжатие магнитного потока

Дальнейший прогресс получения еще больших значений поля был связан с оригинальным и красивым методом - увеличением плотности магнитного потока путем сжатия проводящего кольца или цилиндра. Идея и реализация этого метода принадлежат А.Д. Сахарову (1951 г., см. [2]), который работал в то время в закрытой области. В открытой печати этот же метод теоретически рассмотрел Я.П. Терлецкий в 1957 году.

Суть метода в следующем. Возьмем цилиндрическое тонкостенное кольцо из проводящего материала радиусом rH, которое пронизывает начальное магнитное поле Нн. Тогда полный поток магнитного поля через кольцо ФН = SнHн, где Sн - начальная площадь, заключенная внутри кольца. Подвергнем кольцо быстрой деформации по радиусу (сжатию), такой, что оно изменяется подобно самому себе. В кольце возникнут токи, стремящиеся сохранить поток ФH. На конечной стадии сжатия радиус кольца уменьшится до величины rк. Если время затухания тока существенно превышает время сжатия, то потерями можно пренебречь, то есть считать, что поток через кольцо сохраняется; откуда следует, что конечная плотность магнитного потока

Больших успехов в использовании метода сжатия магнитного потока достигли российские и итальянские физики. Первоначально деформация кольца (обычно медного) проводилась с помощью направленного взрыва взрывчатого вещества (ВВ). Один из вариантов опытов показан на рисунке 2а. Тонкостенное медное кольцо, называемое «лайнер», окружает кольцевой заряд ВВ. Внутрь кольца плотно вставлен соленоид с небольшим числом витков. Это импульсный соленоид, задающий начальный поток ФH. Его время работы рассчитано так, что оно больше времени затухания тока в кольце, для того чтобы начальное поле смогло проникнуть внутрь кольца. После того как это достигнуто, производится подрыв ВВ по всей внешней периферии. Развивающееся давление приводит к пластической деформации лайнера, и он начинает сжиматься. Сжатие прекращается в тот момент, когда сравниваются электродинамические силы в лайнере с силами взрыва. При удачном проведении опыта, используя массу ВВ в 20 кг, медный лайнер диаметром около 10 см и начальное поле 105 Э, удается получить поле до 2» 107 Э. Имеются и другие варианты сжатия магнитного потока с помощью взрыва (рис. 2б).

Более деликатный, изящный и дешевый метод без применения ВВ предложен японскими учеными из Токийского университета. В нем лайнер располагается внутри прочного одновиткового соленоида. Затравочное поле Нн получается от двух катушек, расположенных с двух сторон по торцам лайнера. Разряд мощной батареи конденсаторов на одновитковый соленоид наводит в лайнере токи, текущие в направлении, противоположном токам этого соленоида. Взаимодействие токов деформирует и сжимает лайнер. В этом методе разрушается только лайнер. Метод не требует проведения экспериментов на специальных полигонах. Достаточно стального бокса объемом в несколько кубических метров. Этим методом достигнуты поля до 2 " 106 Э. На рисунке 3 представлены последовательные стадии сжатия лайнера, полученные скоростной фотографией. [4, c. 189]

Интересно здесь упомянуть, что природа тоже, по-видимому, использует метод сжатия магнитного потока для сверхсильных магнитных полей. Полагают, что при коллапсе массивной звезды и превращении ее в нейтронную ее радиус уменьшается с 106 до 10 км. В силу большой проводимости, а возможно и сверхпроводимости на определенном этапе сжатия, захватывается первоначальный магнитный поток. При начальном поле в 102 Э поле может возрасти до 1012 Э. Природа звезд-пульсаров связывается с существованием таких полей.

Заключение