Горький электромагнит - Bitter electromagnet

Диамагнитные силы, действующие на воду внутри ее тела, левитируют живую лягушку внутри 3,2-сантиметрового вертикального отверстия соленоида Горького в Лаборатории высокополевых магнитов в Неймегене, Нидерланды. Магнитное поле было около 16 тесла . Видео доступно. [1]

Bitter электромагнит или Bitter соленоид представляет собой тип электромагнита изобретен в 1933 году американский физик Фрэнсис Bitter используется в научных исследованиях для создания чрезвычайно сильных магнитных полей . Горькие электромагниты использовались для создания самых сильных непрерывных искусственных магнитных полей на Земле ― до 45 тесла по состоянию на 2011 год.

Преимущества

Горькие электромагниты используются там, где требуются чрезвычайно сильные поля. Эти железные стержни , используемые в обычных электромагнитов насыщению , и ограничены полей около 2 тесла. Сверхпроводящие электромагниты могут создавать более сильные магнитные поля, но ограничены полями от 10 до 20 тесла из-за ползучести потока , хотя теоретические пределы выше. Для более сильных полей используются резистивные соленоидные электромагниты конструкции Горького. Их недостаток состоит в том, что они требуют очень высоких приводных токов и рассеивают большое количество тепла.

Строительство

Тарелка от  магнита Bitter на 16 Тл,  диаметром 40 см, медная. В рабочем состоянии пропускает ток 20 килоампер.

Горькие магниты состоят из круглых проводящих металлических пластин и изоляционных прокладок, уложенных по спирали , а не из катушек проволоки. Ток течет по пластинам по спирали. Эта конструкция была изобретена в 1933 году американским физиком Фрэнсисом Биттером . В его честь тарелки известны как Горькие тарелки . Целью многослойной конструкции пластин является противостояние огромному внешнему механическому давлению, создаваемому силами Лоренца из-за магнитного поля, действующего на движущиеся электрические заряды в пластине, которые увеличиваются пропорционально квадрату напряженности магнитного поля. Кроме того, вода циркулирует через отверстия в пластинах в качестве хладагента , чтобы отводить огромное количество тепла, создаваемого пластинами из-за резистивного нагрева протекающими через них большими токами. Рассеивание тепла также увеличивается пропорционально квадрату напряженности магнитного поля.

В середине 1990-х исследователи из Национальной лаборатории сильного магнитного поля (NHMFL) в Университете штата Флорида в Таллахасси усовершенствовали эту базовую конструкцию и создали то, что они называют Флоридским биттером . Удлинение монтажных и охлаждающих отверстий приводит к значительному снижению напряжений, возникающих в системе, и повышению эффективности охлаждения. По мере увеличения напряжения в исходных пластинах для горечи они будут слегка изгибаться, вызывая смещение небольших круглых отверстий для охлаждения смещением, снижая эффективность системы охлаждения. Пластины Florida Bitter будут меньше изгибаться из-за меньшего напряжения, а удлиненные охлаждающие отверстия всегда будут частично совмещены, несмотря на любой изгиб, который испытывают диски. Эта новая конструкция позволила повысить эффективность на 40% и стала предпочтительной конструкцией для резистивных магнитов на основе горьких пластин.

Плотность тока и плотность магнитного потока

В отличие от медной проволоки, плотность тока токонесущего диска неоднородна по площади его поперечного сечения, а является функцией отношения внутреннего диаметра диска к произвольному радиусу внутри диска. Следствием этого отношения является то, что плотность тока уменьшается с увеличением радиуса. Таким образом, большая часть тока течет ближе к внутреннему радиусу диска. Большие диски (т. Е. Диски с большой разницей между их внутренним и внешним радиусом) будут иметь большее расхождение в плотности тока между внутренней и внешней частями диска. Это снизит эффективность и вызовет дополнительные сложности в системе, поскольку вдоль диска будет более значительный градиент температуры и напряжения. Таким образом, часто используется серия вложенных катушек, поскольку они будут более равномерно распределять ток по большой комбинированной площади, в отличие от одной катушки с большими дисками.

Неоднородная плотность тока также должна учитываться при расчете плотности магнитного потока. Закон Ампера для основной проволочной петли с током дает, что осевой магнитный поток пропорционален току, протекающему через провод, и связан с основной геометрией петли, но не связан с геометрией поперечного сечения провода. провод. Плотность тока одинакова по площади поперечного сечения провода. Это не относится к горькому диску. Таким образом, термин "ток" должен быть заменен терминами, описывающими площадь поперечного сечения диска и плотность тока. В результате уравнение для осевой плотности магнитного потока диска Горького становится намного более сложным.

Дифференциальная плотность потока связана с плотностью тока и дифференциальной площадью. Необходимо ввести фактор пространства, чтобы компенсировать отклонения диска, связанные с отверстиями для охлаждения и крепления.

Рекорд Горькие магниты

Самый мощный электромагнит в мире,  гибридный горько-сверхпроводящий магнит 45 Тл в Национальной лаборатории сильного магнитного поля США, Таллахасси, Флорида, США.

Самые сильные непрерывные магнитные поля на Земле созданы магнитами Горького. По состоянию на 31 марта 2014 года самое сильное непрерывное поле, достигаемое магнитом при комнатной температуре, составляет 37,5  Тл, создаваемое электромагнитом Горького в Лаборатории сильнопольных магнитов Университета Радбауд в Неймегене , Нидерланды .

Самое сильное непрерывное искусственное магнитное поле, 45  Тл, было создано гибридным устройством, состоящим из магнита Биттера внутри сверхпроводящего магнита . Резистивный магнит вырабатывает 33,5  Тл, а сверхпроводящая катушка - оставшиеся 11,5  Тл. Первый магнит требует  мощности 30 МВт, последний должен поддерживаться при 1,8 К (-456,43 ° F) с использованием жидкого гелия, для охлаждения требуется 6 недель. Работа на всем поле стоит 1452 доллара в час. В 2019 году другой частично сверхпроводящий электромагнит достиг мирового рекорда для статического магнитного поля постоянного тока: 45,5  Тл.

Смотрите также

Рекомендации

Внешние ссылки