Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Посетите Сервер по Физике Обратите внимание!
 
  Наука >> Физика >> Общая физика >> Электричество и магнетизм | Популярные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение
 См. также

Словарные статьиАморфные магнетики

Новости14 декабря отмечается День памяти Андрея Дмитриевича Сахарова

Анонсы конференцийНаноструктуры 2001 - вести с конференций

Словарные статьиАннигиляция

НовостиФизика 2002: итоги года

Популярные статьи150 лет ГАИШ: 150 лет Московской университетской обсерватории - Государственному Астрономическому институту имени П.К.Штернберга

Новости8 июля исполняется 106 лет со дня рождения Игоря Евгеньевича Тамма, лауреата Нобелевской премии по физике 1958 года.

Популярные заметкиПодробнее о Нобелевских лауреатах 2003

Популярные статьиУглеродные нанотрубки: их свойства и применение

Словарные статьиАнтенна: внешняя задача теории антенн

Физические основы и методы получения магнитного поля

Ю.П.Гайдуков (Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова)
Опубликовано в Соросовском образовательном журнале, N 4, 1996 г.
Содержание

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 $Н=0,4\pi n I$, 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 < $В=\mu Н$, где $\mu$ - 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 $\mu \approx 100$, а $В_{наc}\approx \mu H_{нас}$ 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 $В_{нас}\approx 3\cdot10^4$ 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 $d\ll D$ (где D - диаметр сечения щели), будет совпадать с В, $H_0\approx B$. 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

$H_0=B_{ср}(1-\cos\theta)$, (1)

где Вср - некоторое усредненное по поверхности торцов поле, Вср < В < Bнас .
Рис. 1. а - Схема электромагнита: к - катушки, п - полюсы, я - ярмо. б - Конусные полюсные наконечники.
Рис. 1. а - Схема электромагнита: к - катушки, п - полюсы, я - ярмо. б - Конусные полюсные наконечники.

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.

Рассмотрим частный случай полюсов и полюсных наконечников, изображенных на рис. 1б. Точное выражение для этого случая:

$H_0 = B_{ср}\left(1 - cos\theta + \ln \frac{r_2}{r_1} \cos\theta \sin^2\theta \right).$(2)

Здесь третий член представляет дополнительный вклад в Н0 от того объема полюсов, который образуют конусные поверхности полюсных наконечников. Именно конусность позволяет послать дополнительные силовые линии в центр межполюсного пространства. Третий член при определенном угле $\theta$ достигает максимума. Его значение примерно $55^{circ}$. Поэтому часто полюсные наконечники выполняются в виде усеченных конусов с углом раствора порядка $110^{circ}$-$120^{circ}$. Размер r1 определяет объем межполюсного пространства, в то время как r2 - объем всего магнита, так как площадь сечения ярма не может быть меньше, чем у полюсов. Увеличивая r2 , то есть наращивая объем железа, можно увеличить Н0 и превысить значение Внас . Но зависимость Н0 от r2 довольно слабая, что приводит к практическим ограничениям (приемлемые размеры и вес) достижения больших полей с помощью электромагнитов.

Рекордные величины Н0 были получены на двух электромагнитах. Один из них был сконструирован в начале 30-х годов нашего столетия в Парижской Академии наук. Его общий вес (главным образом железа) около 150 тонн, габариты 6*3*2 м3, потребляемая мощность 100 кВт. В центре межполюсного пространства (r1 = 1 см, d = 1 см) он давал поле Н0 = 6,5*104 Э. Другой магнит был сконструирован в Университете г. Упсала (Швеция) в 1934 году. Его общий вес - 37 тонн. За счет лучшей формы полюсов, а также ярма - толстостенного цилиндра, внутри которого размещались полюсы и катушки, при меньшем весе удалось получить бОльшее поле Н0 = 7,5*104 Э в таком же объеме, что и у первого магнита. Рядовые же лабораторные электромагниты дают возможность получать максимальные поля до 3*104 Э, потребляя при этом скромную мощность в 1-5 кВт.

Любопытно отметить, что самым грандиозным из электромагнитов (а может быть, вообще изделий из железа) является магнит синхрофазотрона Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Вес его ярма - 30 тыс. тонн. В тороидальном объеме межполюсного пространства (диаметр кольца 150 м и диаметр сечения около 2 м) он создает поле порядка 2*104 Э.

Назад | Вперед


Написать комментарий
 Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования