Получение электромагнитного поля

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 28 Марта 2013 в 15:46, статья

Описание работы

Развитие науки немыслимо без проведения экс-
периментальных исследований. Получаемые при
этом опытные факты ценны главным образом тем,
что приводят к открытию новых, не предсказанных
ранее явлений. На их основе появляется возмож-
ность создавать приборы, работающие на новых
принципах. Последние оказываются либо более
чувствительными и позволяют глубже и шире ис-
следовать уже известную область науки, либо во-
оружают ученых для поиска новых явлений. Откры-
тие явления, исследование его, изобретение на его
основе прибора и дальнейшие исследования с по-
мощью нового прибора – этапы построения здания
науки об окружающем материальном мире.

Скачать архив (130.63 Кб) Сколько стоит заказать работу?
Файлы: 1 файл

Poluchenie_magnitnogo_polya.pdf

— 155.23 Кб (Скачать файл)
Page 1
ÉÄâÑìäéÇ û.è. åÖíéÑõ èéãìóÖçàü åÄÉçàíçéÉé èéãü
 97
 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ
МАГНИТНОГО ПОЛЯ
 û. è. ÉÄâÑìäéÇ
 åÓÒÍÓ‚ÒÍËÈ „ÓÒÛ‰‡ÒÚ‚ÂÌÌ˚È ÛÌË‚ÂÒËÚÂÚ
ËÏ. å.Ç. ãÓÏÓÌÓÒÓ‚‡
 ÇÇÖÑÖçàÖ
 Развитие науки немыслимо без проведения экс-
периментальных исследований. Получаемые при
этом опытные факты ценны главным образом тем,
что приводят к открытию новых, не предсказанных
ранее явлений. На их основе появляется возмож-
ность создавать приборы, работающие на новых
принципах. Последние оказываются либо более
чувствительными и позволяют глубже и шире ис-
следовать уже известную область науки, либо во-
оружают ученых для поиска новых явлений. Откры-
тие явления, исследование его, изобретение на его
основе прибора и дальнейшие исследования с по-
мощью 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 по-
лем, изучают отклик вещества на это воздействие.
Анализируя его, делают заключение о природе явле-
ния. Наиболее эффективным средством воздейст-
вия является магнитное поле, так как магнетизм –
широко распространенное свойство веществ.
Цель настоящей статьи – дать качественное
описание наиболее распространенных методов по-
лучения магнитных полей. Большая часть этих ме-
тодов является результатом развития научных зна-
ний и достижений техники последних десятилетий.
При этом они бурно развиваются и в настоящее
время, так как потребность в них велика в силу ощу-
щения открытия новых горизонтов для развития
как научных знаний, так и техники.
Хотя магнетизм был известен человеку с древ-
них времен, магнитное поле становится инструмен-
том научных исследований только после открытия
датским физиком Эрстедом в 1820 году связи между
током и магнитным полем: электрический ток по-
рождает магнитное поле. Это дало начало новому
разделу физики – электромагнетизму. Металличес-
кий провод с током, свернутый в катушку (солено-
ид), вскоре после этого открытия и был первым ге-
нератором постоянного магнитного поля. Техника
этого времени и долгое время после не позволяла
получить сколько-нибудь сильные магнитные поля
с помощью соленоидов, и основным устройством
 PHYSICAL GROUNDS
AND METHODS
OF MAGNETIC FIELD
GENERATION
 Yu. P. GAIDUKOV
The physical aspects of
magnetic fields genera-
tion are reviewed qualita-
tively. Much attention is
given to the techniques
used in scientific resear-
ches, particularly in solid
state physics. The ske-
tches of electromagnets,
solenoids and explosive
magnetic devices are pre-
sented. The physical and
technical limitations of
magnetic field value are
discussed.
䇘ÂÒÚ‚ÂÌÌÓ ‡ÒÒÏÓÚÂ-
Ì˚ ÙËÁ˘ÂÒÍË ÓÒÌÓ‚˚
„Â̇ˆËË Ï‡„ÌËÚÌ˚ı ÔÓ-
ÎÂÈ ‚ ¯ËÓÍÓÏ ‰Ë‡Ô‡ÁÓ-
Ì Á̇˜ÂÌËÈ, ÔËÏÂÌflÂ-
Ï˚ı ‚ ··Ó‡ÚÓÌ˚ı ËÒ-
ÒΉӂ‡ÌËflı, „·‚Ì˚Ï
Ó·‡ÁÓÏ ‚ ÙËÁËÍ ڂÂ-
‰Ó„Ó Ú·. ëıÂχÚ˘ÂÒÍË
Ô‰ÒÚ‡‚ÎÂÌ˚ ÍÓÌÒÚÛÍ-
ËË
˝ÎÂÍÚÓχ„ÌËÚÓ‚,
‡Á΢ÌÓ„Ó Ó‰‡ ÒÓÎÂ-
ÌÓˉӂ Ë ‚Á˚‚Ì˚ı ÛÒÚ-
ÓÈÒÚ‚.
é·ÒÛʉ‡˛ÚÒfl
ÙËÁ˘ÂÒÍËÂ Ë ÚÂıÌ˘ÂÒ-
ÍË ӄ‡Ì˘ÂÌËfl ̇ ‚Â-
΢ËÌÛ Ï‡ÍÒËχθÌÓ ‰Ó-
ÒÚËÊËÏÓ„Ó ÔÓÎfl ‡Á΢-
Ì˚ÏË ÏÂÚÓ‰‡ÏË.
 © ɇȉÛÍÓ‚ û.è., 1996
Page 2

ëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹4, 1996
 98
 для этого был электромагнит – система из железно-
го сердечника, помещенного в магнитное поле со-
леноида. Железо усиливает поле соленоида в сотни
раз. Но поле электромагнита ограничено по вели-
чине практическими пределами. Поэтому с середи-
ны двадцатых годов нашего столетия более сильные
магнитные поля стали получать с помощью специ-
альных соленоидов, используя при этом весь на-
копленный арсенал достижений науки и техники.
Ниже дается обзор методов получения магнит-
ных полей.
 1. ùãÖäíêéåÄÉçàíõ
 Электромагниты до сих пор не утратили своего
значения и широко применяются в науке и технике.
Это связано со сравнительной простотой и деше-
визной получения стационарных постоянных по-
лей, пригодных для многих научных задач.
Рассмотрим простейшее устройство: многовит-
ковую и многослойную катушку, намотанную на
круглый сердечник, выполненный в виде замкнуто-
го кольца. Положим, что размеры сечения ферро-
магнетика существенно меньше размеров кольца.
По катушке течет ток I. Он создает поле Н = 0,4πnI,
 1
 где n – плотность числа витков обмотки на 1 см. Это
поле наводит в ферромагнетике дополнительное
поле Н
 ф
 . Суммарное поле (магнитная индукция)
В = Н + Н
 ф
 .
Для качественного описания работы электро-
магнита можно допустить, что до некоторого значе-
ния H = Н
 нас
 величина Н
 ф
 существенно и линейно
зависит от Н, а в больших полях практически не за-
висит от него (ферромагнетик насыщается). Тогда
при Н < H
 нас
 В = µН, где µ – магнитная проница-
емость. Видно, что в полях соленоида, больших
Н
 нас
 , прирост магнитного поля В возможен лишь за
счет поля соленоида.
Практически для технически чистого железа
(мягкие стали) величина µ ≈ 100, а В
 наc
 ≈ µH
 нас
 около
2 ⋅ 10
 4
 Э. Ряд сплавов обладает несколько большим
значением В
 нас
 . Так, пермендюр (сплав 50% Fe +
+ 50% Co) имеет В
 нас
 = 2,4 ⋅ 10
 4
 Э. Еще большее зна-
чение В
 нас
 ≈ 3 ⋅ 10
 4
 Э имеет поликристаллический
диспрозий, но он редко применяется, так как фер-
ромагнитные свойства проявляются в нем ниже
комнатных температур. Поэтому основным матери-
алом для изготовления электромагнитов является
железо.
Для того чтобы использовать поле В, необходи-
мо ферромагнетик разомкнуть. Тогда поле Н
 0
 в об-
разовавшемся пространстве щели, если расстояние
d между торцами d
D (где D – диаметр сечения
щели), будет совпадать с В, H
 0
 ≈ B. При увеличении
 d величина Н
 0
 будет уменьшаться из-за неизбежно-
 1
Везде ток дается в амперах (А), магнитное поле – в эр-
стедах (Э).
 го рассеяния магнитного потока в пространстве.
В общем случае Н
 0
 < B < B
 нас
 .
Практически электромагниты делают из двух
железных цилиндров (полюса) радиуса r, на кото-
рые насажены короткие катушки; максимальное
поле катушек обычно не превышает 500 – 1000 Э.
Полюсы плотно вставляются в железное ярмо, за-
мыкающее 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 − cosθ),
(1)
где В
 ср
 – некоторое усредненное по поверхности
торцов поле, В
 ср
 < В < B
 нас
 .
На первый взгляд кажется, что получить поле
Н
 0
 , большее В
 нас
 , варьируя d и r, нельзя. Это дейст-
вительно так для рассмотренной формы полюсов и
их окончаний в межполюсном пространстве (по-
люсные наконечники). В общем случае за счет дру-
гой формы полюсов и особенно формы полюсных
наконечников поле Н
 0
 может существенно превос-
ходить поле В
 нас
 . Практически это может происхо-
дить лишь за счет наращивания массы железа.
Рассмотрим частный случай полюсов и полюс-
ных наконечников, изображенных на рис. 1б. Точ-
ное выражение для этого случая:
(2)
H
 0
 = B
 ср
 1
 θ
 cos
–
ln
r
 2
 r
 1
 ----
 θsin
 2
 θ
 cos
+



.
 Рис. 1. а – Схема электромагнита: к – катушки,
п – полюсы, я – ярмо.
б – Конусные полюсные наконечники.
d
 θ
 2r
П
П
К
К
Я
а
r
 1
 r
 2
 θ
 d
б
Page 3

ÉÄâÑìäéÇ û.è. îàáàóÖëäàÖ éëçéÇõ à åÖíéÑõ èéãìóÖçàü åÄÉçàíçéÉé èéãü
 99
 Здесь третий член представляет дополнительный
вклад в Н
 0
 от того объема полюсов, который образу-
ют конусные поверхности полюсных наконечни-
ков. Именно конусность позволяет послать допол-
нительные силовые линии в центр межполюсного
пространства. Третий член при определенном угле θ
достигает максимума. Его значение примерно 55°.
Поэтому часто полюсные наконечники выполня-
ются в виде усеченных конусов с углом раствора по-
рядка 110° – 120°. Размер r
 1
 определяет объем меж-
полюсного пространства, в то время как r
 2
 – объем
всего магнита, так как площадь сечения ярма не мо-
жет быть меньше, чем у полюсов. Увеличивая r
 2
 , то
есть наращивая объем железа, можно увеличить Н
 0
 и превысить значение В
 нас
 . Но зависимость Н
 0
 от r
 2
 довольно слабая, что приводит к практическим ог-
раничениям (приемлемые размеры и вес) достиже-
ния больших полей с помощью электромагнитов.
Рекордные величины Н
 0
 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 м
 3
 , по-
требляемая мощность 100 кВт. В центре межполюс-
ного пространства (r
 1
 = 1 см, d = 1 см) он давал поле
Н
 0
 = 6,5 ⋅ 10
 4
 Э. Другой магнит был сконструирован
в Университете г. Упсала (Швеция) в 1934 году. Его
общий вес – 37 тонн. За счет лучшей формы по-
люсов, а также ярма – толстостенного цилиндра,
внутри которого размещались полюсы и катушки,
при меньшем весе удалось получить большее поле
Н
 0
 = 7,5 ⋅ 10
 4
 Э в таком же объеме, что и у первого
магнита. Рядовые же лабораторные электромагни-
ты дают возможность получать максимальные поля
до 3 ⋅ 10
 4
 Э, потребляя при этом скромную мощ-
ность в 1 – 5 кВт.
Любопытно отметить, что самым грандиозным
из электромагнитов (а может быть, вообще изделий
из железа) является магнит синхрофазотрона Объе-
диненного института ядерных исследований в Дуб-
не. Вес его ярма – 30 тыс. тонн. В тороидальном
объеме межполюсного пространства (диаметр коль-
ца 150 м и диаметр сечения около 2 м) он создает по-
ле порядка 2 ⋅ 10
 4
 Э.
 2. ëéãÖçéàÑõ
 Из предыдущего видно, что получить с помо-
щью электромагнита поле, большее, скажем, 10
 5
 Э,
практически невозможно. Дальнейший путь увели-
чения поля – использование соленоидов без ферро-
магнетика. В соленоидах поле генерируется только
за счет протекающего тока, и максимально дости-
жимые магнитные поля зависят от величины мощ-
ности, которую можно “загнать” в соленоид.
Соленоиды бывают различных типов: многовит-
ковые многослойные катушки, спирали плоские и
геликоидальные, набранные из дисков и цельното-
ченые 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 мо-
гут 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 бо-
лее 1 секунды). С помощью соленоидов первого ти-
па генерируются поля до 2,5 ⋅ 10
 5
 Э. Импульсные со-
леноиды позволяют получить поля до 5 ⋅ 10
 6
 Э.
Принято поля в диапазоне 10
 5
 – 10
 6
 Э называть
сильными, а свыше 10
 6
 Э – сверхсильными. Если во
время получения поля соленоиды не деформируют-
ся и не сильно нагреваются, то поле в них пропор-
ционально протекающему току: Н = kI, где k – кон-
станта соленоида, которая поддается точному
расчету.
Рассмотрим сначала соленоиды стационарного
магнитного поля. Они делятся, в свою очередь, на
резистивные и сверхпроводящие.
Резистивные соленоиды изготавливаются из ма-
териалов, имеющих электрическое сопротивление.
Поэтому вся подводимая к ним непрерывно энер-
гия диссипируется в тепло. Во избежание теплового
разрушения соленоида это тепло необходимо отво-
дить. Для отвода тепла используется водяное или
криогенное охлаждение, что требует дополнитель-
ной энергии, подчас сравнимой с той, что необхо-
дима для питания самого соленоида.
Сверхпроводящие соленоиды изготавливаются
из сверхпроводящих сплавов, электрическое сопро-
тивление которых остается равным нулю при тем-
пературах и полях проведения эксперимента. При
работе сверхпроводящего соленоида энергия выде-
ляется лишь в подводящих проводах и источнике
тока. Последнее вообще может быть исключено, ес-
ли соленоид работает в короткозамкнутом режиме,
когда поле без потребления энергии может сущест-
вовать 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 вели-
чины его внутреннего канала d, приемлемого для
проведения опытов, и имеющейся мощности источ-
ника 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 сече-
нию обмотки. Поле в центре рабочего канала соле-
ноида дается выражением
Page 4

ëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹4, 1996
 100
 (3)
где λ – коэффициент заполнения, равный отноше-
нию объема металлического проводника обмотки к
объему, занимаемому всей обмоткой (λ < 1), ρ –
удельное сопротивление проводника в Ом ⋅ см, g –
коэффициент, зависящий лишь от геометрии осе-
вого сечения объема обмотки, то есть от относи-
тельных размеров α = D/d и β = l/d, где D – внеш-
ний 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 ус-
ловиях магнитное поле будет меньше.
Другая конструкция соленоида дает возмож-
ность 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, обра-
зуя геликоидальную спираль. Между дисками рас-
полагается 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 назы-
ваются биттеровскими соленоидами. Легко видеть,
что ток в биттеровском соленоиде распределен по
диску неравномерно: плотность тока j падает от
максимального значения j
 0
 на внутренней части
диска с диаметром d к периферии по закону
Решение задачи на максимум поля приводит также
к формуле (3), а фактор g достигает максимального
значения g = 0,21 при α = 6 и β = 2, то есть соленоид
еще больше сплюснут.
Есть и другие конструкции, в которых g достига-
ет больших значений. Поэтому была решена и об-
щая задача о нахождении такой геометрии соленоида
и распределения тока в нем, при которых достига-
лось бы предельно максимальное значение g. Ответ:
g = 0,27. Но эта величина скорее служит ориенти-
ром для оценок, так как практическая реализация
такого соленоида невозможна, поскольку найден-
ное значение достигается при α, β
∞ и при до-
вольно сложном распределении плотности тока j по
обмотке.
Обратимся к выражению (3). Можно подсчи-
тать, что для соленоида из меди поле порядка 10
 5
 Э
достигается при мощности порядка 1 МВт (ρ ∼ 2 ×
 × 10
 −6
 Ом ⋅ см, λ ≅ 1, d ≅ 3 см). В 1939 году такая ве-
личина поля впервые была достигнута в биттеров-
ском соленоиде. Успех пришел после того, как через
H
 0
 = g
2Wλ
 ρd
 ------------



1 2
 ⁄
 ,
j = j
 0
 d
2r
-----, D 2r d.
 ≥
≥
 маленький объем каналов соленоида удалось про-
качивать несколько кубометров охлаждающей воды
в минуту.
Для водоохлаждаемых соленоидов биттеровско-
го типа дальнейшее увеличение максимального по-
ля Н
 0
 возможно лишь за счет увеличения мощности
источника тока
 1
 . Но при этом должен возрастать
перегрев соленоида относительно охлаждающей
жидкости. Это ограничивает максимально дости-
жимую величину Н
 0
 для соленоидов стационарного
поля: тепловыделение приводит к пленочному ки-
пению охлаждающей жидкости (образование паро-
вой прослойки между металлом и жидкостью), рез-
кому снижению теплосъема и катастрофическому
повышению температуры соленоида. Для воды это
происходит при потоке мощности около 2000 Вт/см
 2
 .
Зная оптимальную площадь охлаждения соленоида,
можно подсчитать максимально снимаемую мощ-
ность. Подсчеты дают (при d = 3 см) примерно
10 МВт и поле около 2 ⋅ 10
 5
 Э.
Если же уменьшить время работы соленоида так,
что соленоид не успеет расплавиться, то максималь-
ное поле будет ограничиваться другим фактором –
прочностью соленоида. Электромагнитное взаимо-
действие токов приводит к двум силам. Одна из них –
осевая – сжимает соленоид, другая – тангенциаль-
ная – растягивает по радиусу. Они могут привести к
пластическому течению материала соленоида и к
обрыву обмотки. Для чистой меди предел по меха-
нической прочности достигается при Н ≈ 2 ⋅ 10
 5
 Э.
Для материалов типа бронзы и стали он в несколько
раз больше Н (до 7 ⋅ 10
 5
 Э). Это используется для ге-
нерации импульсных магнитных полей (см. далее).
Создание установки с резистивным соленоидом
для генерации стационарных полей – большая на-
учно-техническая задача. Поэтому во всем мире
имеется лишь около десяти лабораторий с такими
установками (США, Франция, Польша, Япония,
Россия). Используются соленоиды разных конст-
рукций, работа которых происходит вблизи тепло-
вого предела. Эксплуатация соленоидов требует вы-
сококвалифицированного персонала и обходится
недешево. Львиная доля расходов идет на оплату
электроэнергии. Существование и работа таких со-
леноидов окупается тем, что здесь исследователи из
разных областей физики, приглашаемые из других
стран, получают важные научные результаты.
Обратимся теперь к сверхпроводящим соленои-
дам. Как это часто бывает, когда в какой-либо обла-
сти техники после долгого и трудного пути решает-
ся сложная и важная задача, оказывается, что этого
же результата можно достичь более простым,
 1
Медь обладает наименьшим удельным сопротивлением.
Снизить ρ можно за счет охлаждения соленоида криоген-
ными жидкостями – гелий, водород, неон. В этом случае
 ρ может уменьшиться в 1000 раз. Но для этой цели при-
 годны такие металлы, как Al и Na, сопротивление кото-
рых очень слабо зависит от магнитного поля.
Page 5

ÉÄâÑìäéÇ û.è. îàáàóÖëäàÖ éëçéÇõ à åÖíéÑõ èéãìóÖçàü åÄÉçàíçéÉé èéãü
 101
 экономичным и эффективным методом. Пример
тому – получение сильных стационарных полей с
помощью сверхпроводящих соленоидов. Из многих
замечательных свойств явления сверхпроводимос-
ти используется основное: отсутствие ниже опреде-
ленной характерной температуры Т
 c
 (критическая
температура) электрического сопротивления у ряда
металлов и сплавов. Явление сверхпроводимости
было открыто в 1911 году голландским физиком Ка-
мерлинг-Оннесом в образцах ртути при Т = 4 К.
При температуре кипения жидкого гелия сверхпро-
водимостью обладают также свинец Pb (T
 c
 = 7,2 K)
и ниобий Nb (T
 c
 = 9 K). Это наивысшие значения T
 c
 для элементов.
Сверхпроводимость позволяет изготовлять со-
леноиды, в которых не происходит диссипация
энергии при протекании тока. Но получаемое при
этом поле ограничивается тем обстоятельством, что
это же поле при достижении определенного значе-
ния Н
 c
 (критическое поле) разрушает сверхпрово-
димость и сопротивление восстанавливается. Кри-
тическое поле увеличивается при уменьшении
температуры от нуля при T
 c
 до максимального зна-
чения при Т
0 К. Для чистых металлов это зна-
чение невелико: у Pb ∼ 800 Э, у Nb ∼ 2000 Э. В 50-х
годах были открыты сплавы металлов, у которых T
 c
 были в диапазоне 10 – 20 К. Но главное – они обла-
дали колоссальными критическими полями.
 1
 Не-
сколько практически важных сплавов приведены в
таблице 1. Технология получения этих сплавов и из-
готовление из них материалов для обмоток солено-
идов 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 ис-
точник тока малой мощности (в большинстве слу-
чаев не более 1 кВт). Конструкции соленоидов – это
катушки, намотанные из композиционных матери-
алов (из сверхпроводника и меди) в виде одножиль-
ных и многожильных проводов, шин и лент.
В настоящее время прогресс в этой области до-
стиг такого уровня, что поля до 10
 5
 Э доступны
практически для любой лаборатории, а иметь поле
до (1,5 – 1,8) ⋅ 10
 5
 Э – это лишь вопрос финансовых
возможностей.
В заключение этого раздела расскажем о замеча-
тельной возможности снизить энергозатраты на ге-
нерацию еще больших полей (до 3 ⋅ 10
 5
 Э), которая
реализована в ряде стран (Россия, Франция, США).
Это использование комбинации из сверхпроводя-
щего и водоохлаждаемого соленоидов (гибридный
соленоид), в которой суммируются максимально
 1
У нас нет возможности изложить хотя бы кратко теорети-
ческое объяснение сверхпроводящих свойств этих спла-
вов (называемых сверхпроводниками 2-го рода). Оно бы-
ло дано А.А. Абрикосовым на основе развития теории
сверхпроводимости В.Л. Гинзбурга и Л.Д. Ландау (1957 г.);
см. литературу.
 достижимые поля как того, так и другого. Естест-
венно, что водоохлаждаемый соленоид должен раз-
мещаться внутри сверхпроводящего. Конечно, со-
здание установки с гибридным соленоидом –
сложная и объемная научно-техническая проблема,
и для ее решения необходим труд больших коллек-
тивов различных научных учреждений. Гибридная
система успешно работает в Институте атомной
энергии Российской Академии наук. Ее сверхпро-
водящий соленоид весит около 1500 кг и в объеме
диаметром 40 см дает поле до 7 ⋅ 10
 4
 Э. Обмотка из-
готовлена из сплавов NbZn и NbTi. Водоохлаждае-
мый соленоид намотан медной шиной. При мощ-
ности 5,6 МВт (ток 25 кА) в объеме диаметром 5 см
получается поле до 1,8 ⋅ 10
 5
 Э. Рекордное суммарное
поле системы – 2,5 ⋅ 10
 5
 Э. Это не предел для гиб-
ридных соленоидов, так как вполне реально полу-
чение полей до 10
 5
 Э в сверхпроводящем соленоиде
и 2,5 ⋅ 10
 5
 Э – в водоохлаждаемом. Можно надеять-
ся, что это вопрос ближайшего времени.
 3. àåèìãúëçõÖ åÄÉçàíçõÖ èéãü
 Импульсные магнитные поля условно делятся на
два класса: класс сильных и класс сверхсильных маг-
нитных полей. В первом магнитное поле получается
без разрушения и существенной деформации соле-
ноида; его значение лежит в области до (5 – 7) ⋅ 10
 5
 Э.
Здесь используются главным образом геликоидаль-
ные соленоиды, выточенные из прочных материа-
лов (бронзы, стали). Во втором соленоид либо силь-
но деформируется, либо полностью разрушается;
диапазон получаемых с их помощью полей прости-
рается в область свыше 10
 6
 Э. Соленоиды для сверх-
сильных полей – исключительно одновитковые.
Они просты и дешевы в изготовлении.
Принципиальная возможность использовать
импульсные магнитные поля для научных исследо-
ваний связана с тем, что характерные времена мно-
гих физических явлений и процессов существенно
меньше времени существования импульсного поля,
так что для них последнее можно рассматривать как
квазистационарное.
Идея метода получения импульсного магнитно-
го поля была высказана П.Л. Капицей в 1923 году и
успешно реализована им в последующей научной
деятельности. Идея эта очень проста: для генера-
ции сильного магнитного поля необходима очень
Таблица 1. Характеристики сверхпроводящих
сплавов
Сплав
T
 c
 , К
H
 к
 , Э (T ≈ 4 К)
NbZr
10,5
90000
NbTi
10
120000
Nb
 3
 Sn
18
270000
V
 3
 Ga
14,5
250000
Page 6

ëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹4, 1996
 102
 большая мощность (H
I
W
 1/2
 ). Ее можно
получить, если сравнительно небольшую энергию Е
реализовать за короткий промежуток времени τ в
соленоиде. Тогда W ≈ E/τ. Существенно, чтобы дис-
сипируемая энергия Е не приводила к тепловому
разрушению соленоида. Установки для импульсных
магнитных полей состоят из четырех основных час-
тей: источника энергии, накопителя энергии, клю-
ча и собственно соленоида. В 20-е годы наиболее
эффективным накопителем энергии оказался спе-
циально разработанный Капицей механический
накопитель кинетической энергии. Это был генера-
тор переменного тока, сконструированный для ра-
боты в короткозамкнутом режиме. Источником
энергии был мотор постоянного тока на 60 кВт. Он
раскручивал массивный ротор генератора (2,5 тон-
ны) до 3500 об/мин. В момент, когда напряжение
проходило через нуль, механический ключ, син-
хронно работающий с генератором, замыкал цепь
генератора на соленоид на время первого полупери-
ода тока. Часть накопленной в роторе кинетичес-
кой энергии переходила в электрическую. В цепи
соленоида развивалась мощность до 50 МВт при то-
ке до 7,2 ⋅ 10
 4
 А. Соленоиды навивались в несколько
слоев шиной квадратного сечения. Шина изготав-
ливалась из кадмиевой бронзы, чье электрическое
сопротивление было близко к меди, а механическая
прочность – к стали. Капице удалось получить поля
до 5 ⋅ 10
 5
 Э длительностью ≈0,01 секунды. Он вы-
полнил на своей установке исследования по физике
твердого тела, которые стали классическими.
В последующем в послевоенные годы в этом ме-
тоде претерпели изменения лишь основные узлы
установки: источник энергии – высоковольтные
выпрямители постоянного тока, накопители – ба-
тареи высоковольтных конденсаторов большой ем-
кости, ключи – вакуумные разрядники. Конденса-
торные батареи при емкости в несколько тысяч
микрофарад и напряжении до 30 кВ способны на-
копить энергию в несколько мегаджоулей и полу-
чать в импульсе мощность в десятки мегаватт.
По существу, после того как заряженная бата-
рея конденсаторов замыкается на соленоид, элек-
трическая цепь является колебательным конту-
ром, в котором возникают свободные затухающие
колебания тока:
I = I
 0
 e
 −kt
 sinωt,
(4)
где k = R/L, частота
.
Соответственно L, C, R – индуктивность, емкость и
сопротивление всей цепи.
При слабом затухании I
 0
 можно оценить из ба-
ланса энергии:
 ω =
1
LC
-------
R
 2
 C
4L
 2
 ----------
–
Из (4) видны пути увеличения максимально дости-
жимого поля, когда возможности конденсаторной
батареи исчерпаны. Необходимо уменьшать сопро-
тивление и индуктивность подводящей ток цепи.
Для этой же цели иногда охлаждают соленоид жид-
ким азотом. Сопротивление соленоида при этом па-
дает в 10 раз.
Импульсные сильные магнитные поля успешно
используются во многих лабораториях. Наиболее
известна сейчас магнитная лаборатория в Токий-
ском университете, где были недавно получены по-
ля напряженностью до 10
 6
 Э при длительности им-
пульса τ ≈ 0,01 секунды.
Метод, аналогичный описанному, применяется
и для получения сверхсильных магнитных полей.
Увеличение мощности происходит за счет уменьше-
ния длительности импульса (интервал τ перемеща-
ется в область микросекунд). Но это одноразовые
опыты, так как соленоиды разрушаются. Жертвуя
соленоидом и всем, что находится внутри него, уда-
ется получать поля 5 ⋅ 10
 6
 Э. Это рекорд. Он достиг-
нут в Институте атомной энергии РАН в Москве.
 4. ëÜÄíàÖ åÄÉçàíçéÉé èéíéäÄ
 Дальнейший прогресс получения еще больших
значений поля был связан с оригинальным и краси-
вым методом – увеличением плотности магнитного
потока путем сжатия проводящего кольца или ци-
линдра. Идея и реализация этого метода принадле-
жат 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. Тер-
лецкий в 1957 году.
Суть метода в следующем. Возьмем цилиндри-
ческое тонкостенное кольцо из проводящего мате-
риала радиусом r
 H
 , которое пронизывает начальное
магнитное поле Н
 н
 . Тогда полный поток магнитно-
го поля через кольцо Ф
 Н
 = S
 н
 H
 н
 , где S
 н
 – начальная
площадь, заключенная внутри кольца,
.
Подвергнем кольцо быстрой деформации по радиу-
су (сжатию), такой, что оно изменяется подобно са-
мому себе. В кольце возникнут токи, стремящиеся
сохранить поток Ф
 H
 . На конечной стадии сжатия
радиус кольца уменьшится до величины r
 к
 . Если
время затухания тока существенно превышает вре-
мя сжатия, то потерями можно пренебречь, то есть
I
 0
 = U
 0
 C
L
----.
S
 н
 = πr
 H
2
Page 7

ÉÄâÑìäéÇ û.è. îàáàóÖëäàÖ éëçéÇõ à åÖíéÑõ èéãìóÖçàü åÄÉçàíçéÉé èéãü
 103
 считать, что поток через кольцо сохраняется; откуда
следует, что конечная плотность магнитного потока
 1
 (5)
Больших успехов в использовании метода сжа-
тия магнитного потока достигли российские и ита-
льянские 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 “лай-
нер”, окружает кольцевой заряд ВВ. Внутрь кольца
плотно вставлен соленоид с небольшим числом
витков. Это импульсный соленоид, задающий на-
чальный поток Ф
 H
 . Его время работы рассчитано
так, что оно больше времени затухания тока в коль-
це, для того чтобы начальное поле смогло проник-
нуть внутрь кольца. После того как это достигнуто,
производится подрыв ВВ по всей внешней перифе-
рии. Развивающееся давление приводит к пласти-
ческой деформации лайнера, и он начинает сжи-
маться. Сжатие прекращается в тот момент, когда
сравниваются электродинамические силы в лайне-
ре с силами взрыва. При удачном проведении опы-
та, используя массу ВВ в 20 кг, медный лайнер диа-
метром около 10 см и начальное поле 10
 5
 Э, удается
получить поле до 2 ⋅ 10
 7
 Э. Имеются и другие вари-
анты 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 распола-
гается внутри прочного одновиткового соленоида.
Затравочное поле Н
 н
 получается от двух катушек,
расположенных с двух сторон по торцам лайнера.
Разряд мощной батареи конденсаторов на одновит-
ковый соленоид наводит в лайнере токи, текущие в
направлении, противоположном токам этого соле-
ноида. Взаимодействие токов деформирует и сжи-
мает лайнер. В этом методе разрушается только лай-
нер. Метод не требует проведения экспериментов на
специальных полигонах. Достаточно стального бок-
са объемом в несколько кубических метров. Этим
методом достигнуты поля до 2 ⋅ 10
 6
 Э. На рисунке 3
представлены последовательные стадии сжатия лай-
нера, полученные скоростной фотографией.
Интересно здесь упомянуть, что природа тоже,
по-видимому, использует метод сжатия магнитного
 1
Здесь полная аналогия со сверхпроводящим контуром, в
котором магнитный поток сохраняется. Действительно, в
силу равенства нулю сопротивления электродвижущая
сила в контуре
то есть полный поток от времени не зависит, он “заморо-
жен”).
E = −
1
C
----
 Φ
∂
 t∂
------- = 0,
 H
 к
 = H
 н
 r
 н
 r
 к
 ----
  
 
 2
 .
 Рис. 2. Варианты метода “сжатия магнитного по-
тока”.
а – Сжатие лайнера: 1 – электрические детонато-
ры; 2 – взрываемый заряд ВВ; 3 – лайнер – метал-
лическое кольцо; 4 – импульсный соленоид, зада-
ющий начальное поле Н
 н
 ; S
 н
 – начальная площадь
захвата потока поля.
б – Сжатие потока поля в устройстве типа “кузнеч-
ные меха”: 1 – электродетонатор; 2 – пластина ВВ;
3 – профиль изогнутой медной пластины, обра-
зующей площади S
 н
 и S
 к
 , S
 н
 S
 к
 ; 4 – одновитко-
вый соленоид, образованный медной пластиной;
5 – ключ; С – батарея конденсаторов.
После замыкания ключа 5 батарея конденсаторов
С генерирует начальный поток поля во всей обла-
сти (S
 н
 + S
 к
 ), охватываемой медной пластиной 3. В
момент достижения максимального тока подры-
вается заряд ВВ. Взрыв начинается слева, поэто-
му пластина 3 замыкается, захватывая начальный
поток поля. Взрыв распространяется вправо, вы-
тесняя поток в катушку 4.
1
2
3
4
S
 H
 а
4
5
1
2
3
C
б
рис 2
Page 8

ëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹4, 1996
 104
 потока для сверхсильных магнитных полей. Пола-
гают, что при коллапсе массивной звезды и превра-
щении ее в нейтронную ее радиус уменьшается с 10
 6
 до 10 км. В силу большой проводимости, а возмож-
но и сверхпроводимости на определенном этапе
сжатия, захватывается первоначальный магнитный
поток. При начальном поле в 10
 2
 Э поле может воз-
расти до 10
 12
 Э. Природа звезд-пульсаров связыва-
ется с существованием таких полей.
Наконец в заключение этого раздела укажем,
что и сверхслабые магнитные поля получаются ана-
логичным способом. Только в этом случае произво-
дится не сжатие, а расширение оболочек, выполнен-
ных из сверхпроводника. Расширение происходит
медленно с помощью механических устройств. Уда-
ется получать поля до 10
 −8
 Э.
 áÄäãûóÖçàÖ
 Таблица 2 дает представление о величинах маг-
нитного поля и временах их существования, полу-
чаемых различными методами.
Конечно, получение сильных магнитных полей
не является самоцелью ученых и инженеров, а дает
в руки исследователей мощный инструмент позна-
ния природы. И этот инструмент эффективно ис-
пользуется. Но мы лишены возможности описать
здесь результаты научных исследований. Надеемся,
что заинтересованный читатель найдет хорошие об-
зоры на эту тему в доступной ему литературе, список
которой приводится ниже. Прокомментируем его.
В [1] наиболее полно изложены методы получе-
ния магнитных полей с помощью электромагнитов,
соленоидов и сверхпроводников. В [2] достаточно
полно рассмотрен метод сжатия магнитного пото-
ка. Сборник [3] позволяет узнать как о принципах
генерации магнитного поля, так и о действующих в
этой области лабораториях. В нем содержится обзор
некоторых результатов, полученных в области фи-
зики твердого тела и биологии. В [4] рассмотрены
методы и техника генерации сильных и сверхсиль-
ных магнитных полей, обсуждаются перспективы
прогресса в этой области. Наконец [5] – это специ-
альный выпуск журнала “Природа”, посвященный
 11
6
0
16
21
26
42
37
32
47
52
57
Рис. 3. Скоростная фотография последовательных стадий сжатия лайнера. У каждого фрагмента указано время
в микросекундах. Начиная с 32 мкс виден сжимаемый лайнер – темное кольцо.
 Таблица 2. Магнитные поля в природе и
лаборатории [4]
Область и время существования поля
и метод его получения
H, Э
Нейтронная звезда
10
 12
 Сжатие магнитного потока (τ ≈ 10 мкс) (2 – 2,5) ⋅ 10
 7
 Разряд конденсаторной батареи на
импульсный соленоид
10
 6
 То же, однократная разрушающая ге-
нерация
5 ⋅ 10
 6
 Гибридные магнитные системы, ста-
ционарное поле
3 ⋅ 10
 5
 Биттеровские соленоиды, стационар-
ное поле
2,5 ⋅ 10
 5
 Сверхпроводящие соленоиды
1,8 ⋅ 10
 5
 Рекордные электромагниты
7 ⋅ 10
 4
 Стандартные лабораторные электро-
магниты
(2 – 3) ⋅ 10
 4
 Постоянные магниты
(1 – 8) ⋅ 10
 3
 Поле Земли
0,2 – 0,5
Межпланетное пространство
10
 −4
 Сердце человека
5 ⋅ 10
 −7
 Расширение сверхпроводящих оболо-
чек
3 ⋅ 10
 −9
Page 9

ÉÄâÑìäéÇ û.è. îàáàóÖëäàÖ éëçéÇõ à åÖíéÑõ èéãìóÖçàü åÄÉçàíçéÉé èéãü
 105
 100-летию П.Л. Капицы. Он интересен в целом, и в
нем есть статья, посвященная самым последним
достижениям в области сильных магнитных полей и
полученных с их помощью научных результатов.
Автор благодарит Н.П. Данилову за помощь при
подготовке рукописи этой статьи.
 ãàíÖêÄíìêÄ
 1. Карасик В.Р. Физика и техника сильных магнитных
полей. М.: Наука, 1964.
2. Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные
поля. М.: Мир, 1972.
3. Сильные и сверхсильные магнитные поля / Под ред.
Ф. Херлаха. М.: Мир, 1988.
4. Лагутин А.С., Ожогин В.И. Сильные импульсные
магнитные поля в физическом эксперименте. М.:
Энергоатомиздат, 1988.
5. “Природа”, 1994, № 4.
 * * *
Юрий Павлович Гайдуков, доктор физико-ма-
тематических наук, профессор кафедры низких
температур Физического факультета Московско-
го государственного университета им. М.В. Ло-
моносова. Физик-экспериментатор. Область науч-
ных интересов – электронные свойства металлов
при низких температурах в сильных магнитных по-
лях. Лауреат Государственной премии СССР. Автор
около 100 научных статей и обзоров.

Информация о работе Получение электромагнитного поля