Горький электромагнит - Bitter electromagnet

Диамагнитный силы, действующие на воду внутри ее тела, левитируют живую лягушку внутри 3,2-сантиметрового вертикального отверстия соленоида Горького в лаборатории высокопольных магнитов в Неймегене, Неймеген, Нидерланды. Магнитное поле было около 16 теслас. Видео доступно.[1]

А Горький электромагнит или же Горький соленоид это тип электромагнит изобретен в 1933 году американским физиком Фрэнсис Биттер используется в научных исследованиях для создания чрезвычайно сильных магнитные поля. Горькие электромагниты использовались для достижения самой сильной непрерывной искусственной магнитные поля на земле ― до 45 теслас, по состоянию на 2011 год.[1]

Преимущества

Горькие электромагниты используются там, где требуются чрезвычайно сильные поля. В железные сердечники используется в обычных электромагнитах насыщать, и ограничены полями около 2 тесла. Сверхпроводящий электромагниты могут создавать более сильные магнитные поля, но ограничены полями от 10 до 20 тесла из-за ползучесть потока, хотя теоретические пределы выше. Для более сильных полей резистивный соленоид используются электромагниты конструкции Горького. Их недостаток состоит в том, что они требуют очень высоких приводных токов и рассеивают большое количество тепла.

Строительство

Тарелка из 16 Т Горький магнит, 40 диаметр см, изготовлен из меди. В рабочем состоянии пропускает ток 20 килоампер.

Горькие магниты построены из круговой проводки. металл тарелки и изоляционный проставки уложены в спиральный конфигурация, а не мотки проволоки. Ток по пластинам течет по спирали. Эта конструкция была изобретена в 1933 году американским физиком, Фрэнсис Биттер. В его честь пластины известны как Горькие тарелки. Конструкция многослойных пластин предназначена для того, чтобы выдерживать огромное внешнее механическое давление, создаваемое Силы 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 как охлаждающая жидкость, чтобы отвести огромное тепло, создаваемое пластинами из-за резистивный нагрев протекающими через них большими токами. Тепловыделение также увеличивается пропорционально квадрату напряженности магнитного поля.

В середине 1990-х гг. Исследователи Национальная лаборатория сильного магнитного поля (NHMFL) в Университет штата Флорида в Таллахасси улучшили этот базовый дизайн и создали то, что они называют Флорида Биттер. 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 отверстия для охлаждения всегда будут частично совмещены, несмотря на любой изгиб, который испытывают диски. Эта новая конструкция позволила повысить КПД 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 объединенной 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 показывает, 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, обозначающий ток, необходимо заменить терминами, описывающими площадь поперечного сечения диска и плотность тока. В результате уравнение для осевой плотности магнитного потока диска Горького становится намного более сложным.

Плотность дифференциального потока связана с плотностью тока и дифференциальной площадью. Введение фактор пространства должны быть включены, чтобы компенсировать отклонения диска, связанные с отверстиями для охлаждения и крепления.

Рекорд Горькие магниты

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

Сильнейшие непрерывные магнитные поля на Земле созданы магнитами Горького. По состоянию на 31 марта 2014 г. самое сильное непрерывное поле, достигаемое магнитом при комнатной температуре, составляет 37,5 T производится электромагнитом Горького на Radboud University Лаборатория сильнопольных магнитов в г. Неймеген, Нидерланды.[2]

Самое сильное непрерывное искусственное магнитное поле, 45 T, был произведен гибридным устройством, состоящим из магнита Горького внутри сверхпроводящий магнит.[1] Резистивный магнит дает 33,5 T и сверхпроводящая катушка производит оставшиеся 11,5 T. Этот магнит требует 30 МВт мощности. Этот магнит должен поддерживаться при температуре 1,8 К (-456,43 ° F) с использованием жидкого гелия. Для охлаждения магнита до температуры требуется 6 недель, поэтому после охлаждения система охлаждения работает непрерывно. Работа на всем поле стоит 1452 доллара в час.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Койн, Кристин (2008). «Магниты: от мини к доброте». Магнит Лаборатория U. Национальная лаборатория сильного магнитного поля. Архивировано из оригинал на 2014-12-21. Получено 2008-08-31.
  2. ^ «HFML устанавливает мировой рекорд с новым магнитом 37,5 тесла». Лаборатория сильнопольных магнитов. 31 марта 2014 г. Архивировано с оригинал 4 сентября 2015 г.. Получено 21 мая 2014.

внешняя ссылка