Измерения магнитного поля применительно к масс-спектрометрии.
Измерение магнитного поля с помощью флюксметра обычпо-производится в предварительных опытах. В этих опытах устанавливается связь между силой тока, протекающего через соленоид, и индукцией магнитного поля.
Измерение магнитного поля, вызванного током, дает один из лучших способов определения величины тока.
Измерения магнитного поля в точках, обозначенных на рис. 1.4, на высоте 900 мм от уровня перекрытия показали, что средний уровень напряженности магнитного поля в зале электролиза составляет 30 - 50 А / см и не превышает 130 А / см. Уровень магнитного поля, измеренный на высоте, соответствующей половине высоты борта электролизера и на удалении от него на 5 - 10 см, составляет 20 - 60 А / см. Вблизи углов или выступающих элементов (стыки секций, фланцы) корпуса электролизера напряженность поля повышается до 150 А / см и более.
Для измерения магнитного поля используются милливеберметр и измерительная катушка, которая намотана непосредственно на соленоид. Параметры катушки указаны на установке.
Для измерения магнитного поля применяется плоская катушка г, содержащая w витков; площадь, ограничиваемая витками (в плоскости витков), равна S. Поместив катушку в области поля, подлежащего измерению (например, у полюсных наконечников электрической машины), ее поворачивают на 180 и отсчитывают показание кулонметра.
Для измерения магнитного поля используются феррозондовые, протонные, квантовые и магнитостатические магнитометры.
Для измерения магнитного поля применили плоскую катушку (все витки расположены в одной плоскости), содержащую w витков; площадь, ограничиваемая витками (в плоскости витков), равна S. Катушку поместили в область поля, подлежащего измерению (например, у полюсных наконечников электрической Машины), быстро повернули на 180 и отсчитали показание кулонметра.
Для измерения магнитного поля применили плоскую катушку (все витки расположены в одной плоскости), содержащую w витков; площадь, ограничиваемая витками в плоскости витков), равна S. Катушку поместили в область поля, подлежащего измерению (например, у полюсных наконечников электрической машины), быстро повернули на 180 и отсчитали показание кулонметра.
Технические данные.| Структурная схема тесламетра Холла. Для измерения магнитного поля Земли используются приборы с механическими преобразователями, называемые магнитометрами. Широко известны магнитные компас, теодолит, буссоль. Абсолютные магнитные теодолиты применяются для измерения малых значений магнитных индукций. При этом погрешность измерения может быть доведена до сотых долей процента. Гораздо шире используются приборы, основанные на относительных методах измерения: кварцевые и крутильные магнитометры, различного рода магнитные весы.
Единица измерения магнитного поля в системе СИ называется вебер на метр квадратный.
Метод измерения магнитного поля, основанный на ядерном резонансе, справедливо считается абсолютным и наиболее точным из существующих в настоящее время, однако он не рассматривается здесь из-за его сложности. Изложение ограничивается рассмотрением двух методов измерения магнитного поля с помощью: а) феррозондов и б) датчиков Холла. Если феррозондовые датчики магнитного поля предназначены в основном для измерения магнитных полей меньше одного эрстеда, то датчиками Холла измеряют поля от одного до нескольких тысяч эрстед.
При измерении магнитного поля с помощью флкжсметра ис - пользуется обычно один из трех способов работы.
Канал для измерения магнитного поля частотой 4 Гц имеет в своем составе управляемый процессором ступенчатый регулятор усиления и автоматически переключаемый избирательный усилитель. Примененный процессор P1C16F877 - 201 / P в приемнике БИТА-1 кроме функции управления выполняет функции обработки поступающих сигналов и подготовки для отображения результатов измерения.

Наибольшая точность измерения магнитного поля достигается при использовании магнитного ядерного резонанса.
Другой единицей измерения магнитного поля является максвелл, причем 1 еб108 макс.
Поля между электродами.| Принципиальная схема измерительного устройства с одной рамкой. Изменять место измерения магнитного поля на поверхности, оставляя электроды на своих местах. При этом напряженность или направление магнитного поля дается в функции места измерения.
Блок-схема прибора для измерения магнитного поля с помощью датчика Холла изображена на рис. 10.15. Для определения величины магнитного поля необходимо измерить значение ЭДС Холла и ток, протекающий через датчик.
Ниже приводится сводка методов измерений магнитного поля и соответствующих им точностей.
Необходимо подчеркнуть особенное значение измерений магнитного поля методом индукционного толчка для тех случаев, когда нас интересует магнитное поле внутри твердого тела.
В феррозондовых магнитометрах принцип измерения магнитного поля основан на быстром намагничивании магнитомягкого пермаллоевого сердечника под действием внешнего магнитного поля.
Таким образом, при измерении магнитного поля потокочувстви-тельная головка обнаруживает дефект по наличию максимума кривой распределения поля на поверхности шва. При использовании индукционной головки дефект выявляется по двухполярному импульсу, возникающему при дифференцировании неоднородности магнитного поля, обусловленной дефектом. Аналогичные импульсы воспроизводятся индукционной головкой также от края ленты и кромок усиления шва. Следовательно, характеристики, воспроизводимые с помощью ЧПГ, нагляднее и значительно проще поддаются расшифровке. Большое количество импульсных сигналов, возникающих на выходе индукционной головки, здесь заменяется графиком, описывающим распределение магнитного поля на поверхности сварного шва.
Принцип действия трассоискателя основан на измерении магнитного поля, создаваемого специальным тональным генератором вокруг исследуемого трубопровода; звуковая частота принимается переносным приемником, снабженным телефонами.
Технические характеристики ДПТ-1. Принцип его работы основан на измерении магнитного поля рассеяния в зоне трещины.
Могут быть использованы любые другие методы измерения магнитного поля для получения сигнала, посредством которого осуществляется стабилизация. Будучи прямыми, эти методы обладают преимуществом по сравнению со стабилизаторами магнита, при помощи которых контролируется ток, проходящий через катушки электромагнита, Несмотря на сравнительно простую аппаратуру, отсутствуют конструкции, использующие ядерный магнитный резонанс для автоматической регистрации массовых чисел на масс-спектре. Определение максимума на резонансной кривой как таковое не всегда применимо, даже при использовании для этой цели первой производной кривой.

Все рассмотренные до сих пор методы измерения магнитного поля основаны на явлении электромагнитной индукции. Существует ряд иных методов измерения. Еще в прошлом столетии было известно, что электрическое сопротивление висмутовой проволоки сильно зависит от напряженности магнитного поля, в которое она помещена. Тогда же было предложено воспользоваться этой зависимостью для определения величины напряженности поля. Обычно из висмутовой проволоки изготовляется небольшая плоская спираль, сопротивление которой измеряется мостиковой схемой. Однако в последнее время в литературе появилось указание о том, что точность метода может быть значительно повышена (до нескольких сотых процента), если температура спирали поддерживается постоянной.
Как правило, в качестве датчика для измерения узколокального магнитного поля дефекта применялась обычная плоская катушка, размеры которой значительно больше поперечных размеров дефекта. Вследствие этого датчик измерял усредненное поле, резко отличающееся в отдельных случаях от поля в фиксированной точке.
Использование холлотрона для поиска. Холлотронные преобразователи могут быть использованы для обнаружения и измерения магнитного поля рассеяния, возникающего вблизи дефекта в детали, путем непосредственного расположения преобразователей над дефектом и намагничивания исследуемой детали внешним постоянным магнитным полем.
Индукционный каротаж - геофизический метод исследования в скважинах, основанный на измерении магнитного поля вихревых токов, индуцированных в г.п. Скважинный снаряд для индукционного каротажа включает генераторную, фокусирующие и приемную катушки, расположенные коаксиально. Переменный элек-трич ток частотой 10 - 20 кГц, пропускаемый по генераторной катушке, создает магнитное поле, к-рое индуцирует вихревые токи в т.п., окружающих скважину. Под действием магнитного поля этих токов (вторичное поле) в приемной катушке возникает эдс, величина к-рой зависит от удельной электрич. Для устранения влияния магнитного поля генераторной катушки на приемную применяют компенсирующие элементы (напр. Полезный сигнал с приемной катушки поступает на усилитель, расположенный в скважине, затем по кабелю на поверхность, где регистрируется.
Геофизические методы включают гравиразведку (измерение силы тяжести), магнитную разведку (измерение магнитного поля), сейсморазведку (измерение скорости распространения взрывных волн) и другие. Эти методы позволяют оценить строение района при выборе наиболее перспективных геологических структур. Геофизическими способами с различной ступенью приближения можно изучать земные толщи на глубинах до нескольких десятков километров.
Пример данных измерений на S3 - 3 постоянного электрического поля и спектральных мощностей (6 л / л 2 и г. Кроме этих основных измерений, были выполнены (очевидно, с меньшей точностью) измерения магнитного поля, позволившие грубо оценить плотность продольных токов.
Связь между t / x и В позволяет использовать эффект Холла в образце с известными параметрами для измерения магнитного поля.
Некоторые типы конструкций магнитомодуляционных датчиков. Датчики (измерители) магнитного поля (называемые также магнитомодуляционными зондами, феррозондами и др.) широко применяются для измерения магнитного поля Земли, геомагнитной разведки полезных ископаемых, в дистанционных магнитных компасах, метал-лоискателях, датчиках перемещения и положения тел в пространстве и др. Принцип действия датчиков подобен принципу действия магнитных усилителей, в которых роль обмотки управления, создающей управляющее магнитное поле, выполняет внешнее измеряемое поле.
Окончательная регулировка полюсных наконечников осуществляется при помощи сигнала магнитного ядерного резонанса, который в действительности является наиболее чувствительным методом для измерения магнитного поля и проверки его однородности. Отсутствие необходимой однородности лоля приводит к расширению спектральных пиков и потере разрешающей способности. Постоянный магнит обладает тем преимуществом, что не требует стабилизированных источников питания.
Весьма точный (1: 40 000) метод измерения Н основан на явлении ядерного магнитного резонанса, что позволяет свести измерение магнитного поля к измерению частоты, одной из наиболее точно измеряемых физических величин. Так как зависимость резонансной угловой частоты от поля выражается через атомные постоянные, то метод не требует градуировки. Современная стандартная техника измерения ядерного магнитного резонанса позволяет измерять магнитные поля в пределах от 200 до 20 000 эрст. В последнее время для измерения слабых магнитных полей, порядка земного поля, используется протонный магнитный резонанс. Оба метода требуют сложного оборудования и не могут быть широко использованы в обычных технических измерениях.
В разнообразных схемах ручной или автоматической регулировки МЭР для определения величины нагрузки на регулируемый анод или группу анодов в большинстве случаев используются электрические параметры - измерение магнитного поля проводника, перепад напряжения на сопротивлении определенного участка проводника или аналогичные показатели.
Приборы с ферромодуляционными преобразователями обладают высокой чувствительностью, высокой точностью измерения, позволяют вести непрерывные измерения, что обеспечило им широкое распространение, в частности, для измерения магнитного поля Земли.

Имеются сведения о возможности использования для упомянутой цели при электрометрических обследованиях соответствующих методов и приборов, как например: метода градиента потенциала постоянного тока; метода бесконтактных определений тока в трубопроводе на основе измерения магнитного поля; метода измерения напряженности собственного поля трубопровода, отражающего состояние металла трубы; метода контроля состояния трубопроводов с помощью электромагнитных волн. Однако и эти дополнительные методы поиска опасных дефектов металла подземных трубопроводов надежного нахождения таких дефектов не гарантируют.
Электрическая схема дефектоскопа типа БИЭК-59. Для неразрушающего контроля качества термической обработки и правильности проведения низкотемпературного отпуска более крупных колец (диаметром до 500 - 600 мм), а также для контроля крупногабаритных шариков и роликов применяют приборы, основной частью которых является электромагнит с разветвленной магнитной цепью, в центре которого помещен феррозон-довый датчик для измерения магнитного поля. Таким является прибор типа КТР-3, работающий от сети переменного тока, с напряжением 220 в.
Приборы с ферромодуляционными преобразователями отличаются высокой чувствительностью (порог чувствительности составляет доли нанотесла), сравнительно высокой точностью (погрешность измерения в зависимости от значения измеряемой индукции может быть от 0 02 до 1 %), позволяют вести непрерывные измерения, что обеспечило им широкое распространение, в частности для измерения магнитного поля Земли.
Расчетные профили прокладываются инструментально строго вкрест простирания выявленных магнитных аномалий при основной съемке. Измерения магнитного поля проводятся на расчетных профилях с высокой точностью и детальностью, что позволяет изучать во всех деталях магнитовозмущающие объекты.
Основное преимущество автомобильной съемки перед пешеходной заключается в высокой производительности и более низкой стоимости работ. Измерения магнитного поля производятся в движении, автоматически, в условиях влияния несущей платформы (прицепа) и автомобиля, с постоянным интервалом между точками наблюдений. Решаемые геологические задачи, условия применения, выбор участков работ, масштабов съемки аналогичны приведенным для пешеходной съемки. Автомагнитные измерения проводятся в площадном и профильном (маршрутном) вариантах. Площадные съемки масштаба 1: 25000, 1: 10000, 1: 5000, 1: 2000 позволяют в кратчайшие сроки решать задачи геолого-структурного картирования больших площадей, участков детализации аэромагнитных и аэрогамма-спектрометрических аномалий. Съемка проводится как по заранее разбитой топографо-геодезической сети, так и по маршрутам, прокладываемым с помощью топопривязчика типа ТМГ-УАЗ-469 между инструментально проложенными магистралями.
Привязка наблюдений осуществляется способом засечек береговых ориентиров или по небесным светилам с применением радиогеодезических и радионавигационных средств, а также спутниковых навигационных систем. Измерения магнитного поля, определение координат, скорости и курса судна, а также глубин дна синхронизируются до 60 с при профильных региональных съемках и до 30 с при детальных площадных съемках. С этой целью магнитная и гидрографическая лаборатория соединяются звуковой сигнализацией.
Очевидно, что он совпадает с нормалью к плоскости, проходящей через ось исследуемой скважины. Поэтому измерения магнитного поля однозначно определяют пространственное положение плоскости, проходящей через точку измерения и ось исследуемой скважины. Измеряя магнитное поле в нескольких точках наклонно-направленной скважины, ствол которой не лежит в одной плоскости со стволом аварийной скважины, можно получить систему таких плоскостей и найти пространственное положение линии их пересечения. Эта линия совпадает со стволом аварийной скважины. Таким образом, по измерениям магнитного поля в наклонно-направленной скважине удается определять пространственное положение ствола исследуемой аварийной скважины. Для пересечения скважин в какой-либо точке их стволы в районе пересечения должны лежать в одной плоскости. Вектор напряженности магнитного поля линейного тока, текущего по стволу фонтанирующей скважины, всегда перпендикулярен к этой плоскости. Это свойство используют при проведении прямой стыковки противофонтанной скважины с аварийным стволом. С этой целью плоскость искривления противофонтанной скважины выбирают так, чтобы вектор аномального магнитного поля был перпендикулярен этой плоскости, при этом знак отклонения от перпендикулярности используют для выбора азимута и угла наклона противофонтанной скважины.
Детектирование ЭПР-поглощения при большой амплитуде модуляции магнитного поля. В принципе условие резонанса hvg Hr справедливо для любых частот. Для измерения магнитного поля земли, равного всего - - 0 5 Гс, геологи используют чувствительный магнитометр, основанный на эффекте ЭПР. Однако практически выбор частоты излучения ограничен рядом факторов.
Наиболее точен метод Кот-тона и Дю Пуа - метод магнитных весов , в котором измеряется сила, возбуждаемая в проводнике известной длины, находящемся под током в магнитном поле. Остальные методы измерения магнитного поля непригодны для использования их в качестве масс-отметчиков в масс-спектрометре по многим причинам.
Тороидальная компенсационная катушка. Ток в катушке измеряется компенсатором постоянного тока. Если прибор предназначен для измерения магнитного поля в пространстве, не содержащем ферромагнитные массы, то компенсационную катушку выполняют в виде соленоида.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

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).

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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. ), 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.

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

магнитный импульсный поле

Наконец в заключение укажем, что и сверхслабые магнитные поля получаются аналогичным способом. Только в этом случае производится не сжатие, а расширение оболочек, выполненных из сверхпроводника.

Расширение происходит медленно с помощью механических устройств. Удается получать поля до 10- 8 Э.

Конечно, получение сильных магнитных полей не является самоцелью ученых и инженеров, а дает в руки исследователей мощный инструмент познания природы.

И этот инструмент эффективно используется. Но мы лишены возможности описать здесь результаты научных исследований.

Надеемся, что заинтересованный читатель найдет хорошие обзоры на эту тему в доступной ему литературе, список которой приводится ниже. Прокомментируем его.

Мы изложили методы получения магнитных полей с помощью электромагнитов, соленоидов и сверхпроводников.

Мы достаточно полно рассмотрен метод сжатия магнитного потока.

Список использованной литературы

1. Газиорович С. Физика элементарных час тиц, пер. с английского, М., 2002.

2. Боголюбов Н.Н., Ширков Д.В., Введение в теорию квантованных полей, 3 изд., М., 2004.

3. Балаш В.А. Задачи по физике и методы их решения. - М.: Просвещение, 2003.

4. Буховцев Б.Б., Кривченков В.Д., Мякишев Г.Я., Сараева И.М. Сборник задач по элементарной физике. - М.: Наука, 2002.

5. Гольдфарб Н.И. Сборник вопросов и задач по физике. - М.: Высшая школа, 2003.

6. Меледин Г.В. Физика в задачах. - М.: Наука, 2005.

7. Николаев В.И., Чернышев К.В. Пособие для поступающих в ВУЗы. - М.: Издательство МГУ, 2002.

8. Парфентьева Н., Фомина М. Решение задач по физике ч.I и ч.II. - М.: Мир, 2003.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Магнитные поля и химический состав звёзд (гелиевых, Si- и Am–звёзд, SrCrEu-звёзд). Магнитные поля звёзд-гигантов, "белых карликов" и нейтронных звёзд. Положения теории реликтового происхождения поля и теории динамо-механизма генерации магнитного поля.

курсовая работа , добавлен 05.04.2016


Характеристики магнитного поля и явлений, происходящих в нем. Взаимодействие токов, поле прямого тока и круговой ток. Суперпозиция магнитных полей. Циркуляция вектора напряжённости магнитного поля. Действие магнитных полей на движущиеся токи и заряды.

курсовая работа , добавлен 12.02.2014


Магнитное поле - составляющая электромагнитного поля, появляющаяся при наличии изменяющегося во времени электрического поля. Магнитные свойства веществ. Условия создания и проявление магнитного поля. Закон Ампера и единицы измерения магнитного поля.

презентация , добавлен 16.11.2011


Природа и характеристики магнитного поля. Магнитные свойства различных веществ и источники магнитного поля. Устройство электромагнитов, их классификация, применение и примеры использования. Соленоид и его применение. Расчет намагничивающего устройства.

курсовая работа , добавлен 17.01.2011


Анализ источников магнитного поля, основные методы его расчета. Связь основных величин, характеризующих магнитное поле. Интегральная и дифференциальная формы закона полного тока. Принцип непрерывности магнитного потока. Алгоритм расчёта поля катушки.

дипломная работа , добавлен 18.07.2012


Регулирование скорости тягового электродвигателя при изменении магнитного поля. Пересчет характеристик при изменении магнитного поля и смешанном возбуждении. Особенности магнитного потока при шунтировании сопротивления и изменением числа витков обмотки.

презентация , добавлен 14.08.2013


Определение наличия и направления магнитного поля метки. Создание постоянного магнитного поля, компенсирующего действие постоянных внешних магнитных полей. Принципиальная схема зарядно-разрядного узла устройства. Определение разряда накопительной емкости.

лабораторная работа , добавлен 18.06.2015


Геомагнитное поле земли. Причины возникновения магнитных аномалий. Направление вектора напряженности земли. Техногенные и антропогенные поля. Распределение магнитного поля вблизи воздушных ЛЭП. Влияние магнитных полей на растительный и животный мир.

курсовая работа , добавлен 19.09.2012


Проявления магнитного поля, параметры, его характеризующие. Особенности ферромагнитных (магнитомягких и магнитотвердых) материалов. Законы Кирхгофа и Ома для магнитных цепей постоянного тока, принцип их расчета, их аналогия с электрическими цепями.

контрольная работа , добавлен 10.10.2010


История открытия магнитного поля. Источники магнитного поля, понятие вектора магнитной индукции. Правило левой руки как метод определения направления силы Ампера. Межпланетное магнитное поле, магнитное поле Земли. Действие магнитного поля на ток.