Ultrastarke gepulste Magnetfelder

Vor etwa einem Jahr habe ich mehrere Dutzend Experimente mit Magneten durchgeführt.
Schaut man sich ein Physiklehrbuch an, findet man äußerst wenige visuelle Informationen zum Magnetfeld. Angegeben ist das Standardexperiment mit Sägemehl, das die Struktur des Magnetfeldes impliziert. Aber eine kleine Forschung zu Magneten verrät viel mehr über die Eigenschaften dieses Feldes. Einige davon werden in den folgenden Experimenten beschrieben.

Für Experimente wurde Folgendes auf der Website http://magnetix.com.ua/ erworben:
1. Spezialfolie FD75 – Magnetfelddetektor. Das Wesentliche an der Folie ist, dass sie Nickelpartikel in einer geleeartigen Umgebung enthält; sie sind Mikromagnete und entfalten sich unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfelds, wodurch sich die Transparenz der Folie verändert. An Stellen, an denen der Film dunkler wird, verlaufen die Feldlinien senkrecht zum Film, wo sie heller werden, verlaufen die Feldlinien parallel zum Film, der Halbton ist die amorphe Position der Mikropartikel oder sie stehen in einem bestimmten Winkel.

2. Ein Satz Axialmagnete mit einer Länge von 3 cm und einem Durchmesser von 1 cm aus einer Neodym-Eisen-Bor-Legierung (NdFeB), Klasse N42. Die Anziehungskraft beträgt laut Hersteller ca. 3,5 kg.
3. Ein Satz von 36 kleinen Axialmagneten 4 * 24 mm mit Stahlkugeln, etwa 7 mm Durchmesser. Sie wurden in den meisten Fotos verwendet.

Ein Experiment mit Anziehung.

Der Kern des Experiments besteht darin, ein kleines Teilchen magnetisierbaren Materials zu nehmen, die Einfallslinien dieses Teilchens auf den Magneten zu zeichnen und auch die Anziehungszone zu bestimmen. Auf einem Blatt glattem Papier ist ein Magnet befestigt. Als Partikel wurde ein Rädchen mit einer Größe von ca. 2 mm genommen.
Das Ergebnis des Experiments ist folgendes:

Um das Verhalten der Schraube im mittleren Bereich des Magneten zu beurteilen, wurde zusätzlich ein Video gedreht, um die Bild-für-Bild-Bewegung zu beobachten.

Die Linien markieren die Flugbahnen einer kleinen Schraube, die auf einen Magneten fällt.
Offensichtlich haben die magnetischen Feldlinien aus den Lehrbüchern nichts mit der angegebenen Abbildung zu tun, die die Richtung der Wechselwirkung zweier feststehender Magnete zeigt.

Ein Objekt tendiert immer zu einem der Pole eines Magneten. Darüber hinaus ähnelt die Anziehungsentfernung eher einem Kreis mit einem Radius von zwei Punkten = Polen. Auf der Achse des Magneten nimmt der Abstand leicht zu. Im Bereich zwischen den Polen gilt die Regel der Anziehung beider Pole. Daher bewegt sich das Objekt zunächst in Richtung der Mitte des Magneten, ändert dann abrupt seine Flugbahn und tendiert zum gezogenen Pol.
Am Ende verlangsamte sich ein Video um das 16-fache und fiel in die Mitte. Die letzte Bewegung von der Mitte des Magneten zum Pol beträgt 1 Frame oder noch weniger, d. h. weniger als 1/25 Sekunde. Wenn wir über die Gesetze der Mechanik sprechen, dann ist ein solches Anhalten, Rucken und Wenden einfach erstaunlich.

Tatsächlich kann die klassische Richtung der magnetischen Feldlinien durch zwei Kräfte erklärt werden, die im Saugmodus von den Magnetpolen auf die Magnetnadel wirken. Der Nordpol beeinflusst den Südpol des Pfeils, der Südpol beeinflusst den Nordpol und umgekehrte Aktionübt das Magnetfeld des Pfeils auf den Magneten aus. Wenn die Kräfte beider Pole gleich sind, verläuft die Feldlinie parallel zur Achse des Magneten. Wenn sie nicht gleich sind, ist der Pfeil schräg oder auf den nächsten Pol gerichtet.

Aus dem Experiment wurde deutlich, dass klassische Magnetfeldlinien eher „einige Illusionen“ erzeugen als ein Magnetfeld. Dabei handelt es sich nicht einmal um einen Kraftwirkungsvektor, denn mit ihrer Hilfe lässt sich nicht erklären, warum das Teilchen im Video senkrecht zu den Magnetfeldlinien und nicht parallel zu ihnen fliegt.

Untersuchung des Feldes mit magnetisch empfindlichem Film.

Klassisches Magnetfeld.

An den Polen verlaufen die Linien senkrecht zur Folie, in der Mitte des Magneten parallel. Wie die Klassiker. Die Feldbreite beträgt etwa 3 cm für einen 30 * 10-Magneten. Ich sage gleich, dass der Film auf den Fotos Mängel aufweist, die auf Spuren scharfer Haftung zweier Magnete und Stöße durch den Film zurückzuführen sind. Sie können sie ignorieren.

Das Feld zweier verbundener Magnete.

Aus dem Foto geht hervor, dass das Feld zweier verbundener Magnete keineswegs gleich dem Feld eines längeren Magneten ist. In der Mitte zwischen den Magneten verlaufen die magnetischen Feldlinien nach außen, d.h. Linien Nordpol Ein Magnet geht nicht direkt in die Südpollinie des anderen Magneten. Zwischen den Polen gibt es einen gewissen Feldbuckel. Darüber hinaus weist der Film manchmal Artefakte entlang der Magnetachse auf (wie zum Beispiel auf dem Foto), aber das ist nicht immer der Fall, vielleicht handelt es sich einfach um einen Defekt im Film. Obwohl ein einzelner Magnet niemals solche Artefakte zeigt.
Tatsächlich hat ein solcher Magnet drei Anziehungszonen. Zwei an den Rändern und eine in der Mitte. Dadurch findet ein anderer senkrecht platzierter Magnet einen stabilen Punkt in der Mitte, obwohl es bei einem ganzen Magneten nie möglich sein wird, einen Magneten auf diese Weise zu platzieren – er wird definitiv von einem der Pole angezogen.

Darüber hinaus ist das Feld zweier oder mehrerer verbundener Magnete deutlich schwächer als das Feld eines einzelnen Magneten. Dies ist zum Beispiel auf diesem Foto zu sehen:
Die Anziehungszone in der Nähe des mittleren Magneten ist nahezu Null, während sie in der Nähe der äußeren Magnete deutlich zunimmt und in der Nähe eines einzelnen Magneten noch stärker zunimmt. Es stellt sich heraus, dass die Felder verbundener Magnete sich gegenseitig abschirmen und möglicherweise einfach unabhängig voneinander wirken und letztendlich den Kraftvektor kompensieren. Dies könnte die Artefakte des magnetischen Feldes der Kopplung erklären.

Feld eines Magneten und einer Stahlkugel.

Das Feld ähnelt im Allgemeinen dem Feld eines klassischen Magneten, nur dass es in der Nähe der Kugel etwas anzuschwellen scheint und die Linien in Richtung der Kugel verschiebt.

Feld aus zwei Magneten und einer Kugel.

Das Foto zeigt das Vorhandensein von vier Anziehungspolen. An den Kanten der Anhängerkupplung und im Bereich auf beiden Seiten der Kugel. Darüber hinaus scheinen die Pole des Balls zusammengedrückt zu sein. Die magnetischen Linien um den Ball verlaufen eher parallel zum Film. Wenn Sie eine Kugel in der Nähe einer solchen Kopplung in der Nähe der gekoppelten Kugel platzieren, wird sie von einem der beiden nächstgelegenen Pole angezogen, der näher und näher ist stärkeres Feld. Daraus können wir schließen, dass der Ball wie ein unabhängiger Magnet zu wirken scheint, obwohl sein Feld induziert wird.

Diese Kopplung ist auch deshalb gut, weil wenn die Magnete die Oberfläche nicht berühren und die gesamte Reibungskraft nur auf die Kugel wirkt, dann beginnt diese Kombination wie eine Kompassnadel zu wirken und sich entsprechend dem äußeren Magnetfeld der Erde zu drehen.

Das Feld zweier gegenläufiger Magnete und einer Kugel.

Und hier erwartet uns die erste Überraschung. Und er kommt zu dem Schluss, dass kleine Magnete mit entgegengesetztem Vorzeichen leicht durch die Kugel angezogen werden.

Das Foto zeigt eine große Schwellung auf Höhe der Kugel. Das gesamte System hat nur drei Pole. Die Feldlinien der Kugel verlaufen senkrecht zum Film, was bei zwei sich abstoßenden Magneten im Allgemeinen normal ist. Betrachtet man aber die Anziehungszone der Schraube der resultierenden Kupplung, erkennt man, dass sich die Kugel mit ihrer gesamten Oberfläche wie ein vollwertiger Pol verhält. Die Anziehungszone der Kugel ist etwas größer als die Ränder der Magnete, was sich leicht durch die teilweise Addition der Felder abstoßender Magnete (Feld gleichen Vorzeichens) erklären lässt.

Gleichzeitig kann man nicht sagen, dass der zweite Magnet mit dem gleichen Pol immer von der Kugel angezogen wird. In Wirklichkeit handelt es sich um einen sehr schmalen Bereich – Anziehung wird in der Nähe von 1–3 mm von der Kugel beobachtet, je nachdem, auf welcher Seite der Magnet angebracht ist. Als nächstes kommt die Abstoßungszone, und die Abstoßung entlang der Achse des Magneten ist etwas schwächer als seitlich.
(Hinweis: Experimente zur Magnetabstoßung finden Sie weiter unten.)

An einer Kugel können maximal 4 abweisende Magnete befestigt werden. In diesem Fall vergrößert sich die Anziehungszone auf der Mittelachse der Abstoßung der Magnete voneinander um den Faktor 1,5-2.

Bei stärkeren Magneten tritt in der Nähe der Kugel überhaupt keine Anziehung auf – sie stoßen sich in jeder Entfernung weiterhin ab. Insbesondere bei einem großen Magneten 10*30 können Sie nur dann einen Teil des Feldes abschirmen und die Anziehung des kleinen Magneten erzwingen, wenn Sie 3 Stahlkugeln gleichzeitig platzieren.

Gleichzeitig ist auf dem Foto zu erkennen, dass sich das Quellfeld entlang der Kugeln auszudehnen scheint.

Liegen die Magnete frei an der Abstoßungsgrenze untereinander, so entsteht zwischen ihnen eine schwache „Feldschwellung“, werden sie aber gewaltsam in der Zone starker Abstoßung gehalten, dann nimmt das Bild wieder ein dreipoliges Aussehen an.

Feld zweier antigekoppelter Magnete.

Zu sehen sind 4 Pole und ein leicht gekrümmtes Feld entlang der Achse beider. Diese Krümmung ist an einem Würfel aus 36 Magneten besser sichtbar: Sie sind schachbrettartig angeordnet.

Die Kopplung von 2 oder mehreren Magneten zeichnet sich dadurch aus, dass sie ihr gesamtes Magnetfeld nahezu vollständig auf sich selbst schließt. Das Magnetfeld in der Nähe der Pole ist noch gering, während das Feld in der Nähe der Seitenwände fast vollständig fehlt.

Wenn die Folie im Abstand von 5-7 mm leicht über die Magnete angehoben wird, sieht man, dass sich das Feld scheinbar ausdehnt, d.h. divergieren zu den Seiten, während die Stärke und Rechtwinkligkeit des Feldes schwächer werden, was durchaus mit dem klassischen Modell magnetischer Feldlinien übereinstimmt.

Magnetfeld einer Festplatte.

In alten Festplatten können Sie ziemlich starke Magnete entfernen:

Die Besonderheit eines solchen Magneten besteht darin, dass es sich tatsächlich um eine Kombination aus zwei Magneten SN + NS handelt. Darüber hinaus ist die Magnetisierungsachse jeder Hälfte auf den Betrachter der Fotografie gerichtet. Diese. senkrecht zur Dicke des Magneten. Aufgrund der Tatsache, dass es fast keine Seitenflächen und solche Magnete gibt (er ist fast flach, die Magnetdicke beträgt nur 1,5 mm), ist klar, dass sich die Linien des Magnetfelds senkrecht zur Folie weiter erstrecken als ihre Kanten, was ist bei länglichen Rundmagneten nicht der Fall.

Experimente mit Abstoßung und Feldschirmung.

Wie die Praxis gezeigt hat, erwies sich die Untersuchung und Messung der Wechselwirkung zweier Magnete als deutlich schwieriger als die Arbeit mit magnetisierten Schrauben, die sich recht eindeutig verhalten. Hier haben wir es mit zwei aktiven Komponenten zu tun, die jeweils versuchen, sich gegenseitig zu beeinflussen. Die Unklarheit liegt darin, dass dieselbe Messung unterschiedliche Ergebnisse liefern kann. Diese. Magnete beginnen sich in ihrer Wechselwirkung beispielsweise weiter abzustoßen in unterschiedlichen Entfernungen. Und der Grund dafür liegt in zwei Faktoren. Der erste Faktor ist der Wechselwirkungswinkel der Magnete. Der zweite Faktor hängt in gewisser Weise mit der Geschwindigkeit und Richtung der Bewegung des Magneten zueinander zusammen.
Aus diesem Grund ergab ein zuvor durchgeführter Test mit zwei Magneten und einer Kugel unterschiedliche Ergebnisse (es schien, als würde die Kugel das Feld des Magneten abschirmen). Aber in Wirklichkeit scheint dies nicht zu passieren.
Um die Tatsache der Abstoßung eindeutig zu bestimmen, wurde beschlossen, dass der zweite Magnet in Richtung seiner gegenseitigen Abstoßung zum ersten hin positioniert werden sollte und nicht zum Pol des anderen Magneten. Wie Sie auf dem Foto sehen können, handelt es sich absolut nicht um dasselbe.

Die Abstoßungszone von Magneten stellt einen bestimmten Radius oder eine Kurve nahe dem Pol dar, wobei Striche die Änderung des Abstoßungswinkels markieren. Der Winkel ändert sehr schnell seine Ausrichtung und dreht sich schließlich um 180 Grad, woraufhin nur noch Anziehung oder Abstoßung durch die Pole der anderen Polarität voneinander folgt. In jedem anderen Winkel beginnen die Magnete viel früher zu interagieren. Dies besteht zunächst darin, dass sich der Magnet zu entfalten beginnt, weil zwei Kräfte auf ihn wirken. Die eine ist die Abstoßungskraft, die zweite Kraft ist die Anziehung zum anderen Pol. Diese. Es gibt zwei Kräfte, die sich addieren, um eine Wende zu bewirken, und diese Zone ist viel größer als die direkte Abstoßung. Darüber hinaus verläuft die Revolution manchmal ohne Folgen, und manchmal führt sie zu einer starken Anziehung aus einer Zone, die weiter als die Abstoßungsgrenze liegt. Auch hier kann die Umkehr selbst den Magneten teilweise näher bewegen. Nach der Installation des Balls wurde die Abstoßungszone mit der gleichen Methode überprüft (mit Kreuzen markiert). Es stellte sich heraus, dass sich tatsächlich alles einfach auf den Durchmesser der Kugel verlagerte. Diese. Trotz des Auftretens eines Elements, das in seiner Nähe Anziehung hervorruft, ist die Abstoßungszone selbst praktisch unverändert geblieben. Die Umkehrzone wurde übrigens durch die Regel der Parallelität der Magnetachsen bestimmt. Denn aus einem anderen Blickwinkel kann man ein ganz anderes Bild bekommen.

Das Bild ändert sich grundlegend, wenn Sie einen sehr großen magnetisierten Bildschirm installieren, verglichen mit der Größe und Stärke des Magneten. Der Schirm ist ein Halbrohr mit einem Durchmesser von 16 mm, einer Länge von etwa 5 cm und einer Dicke von 1 mm aus einer Art Stahl.
Die Abstoßungszone verschwindet tatsächlich ganz. Es wird durch eine große Anziehungszone und etwas weiter entfernt durch eine große Umkehrzone ersetzt, wonach der Magnet dazu neigt, vom Bildschirm angezogen zu werden. Die Anziehungszone funktioniert auch auf der anderen Seite des Bildschirms in der Nähe des Magneten. Geht man aber weiter als bis zum Magneten, dann wirkt dort die übliche Abstoßung und der Schirm auf einer Seite hat darauf tatsächlich keinen Einfluss, sondern verändert nur den Bereich in der Nähe des Schirms selbst. Das Ergebnis ist eine asymmetrische Verteilung des Magnetfelds mit einem großen Anziehungspeak auf beiden Seiten der Platte.

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Durch die Energie des Generators entsteht um die Spule herum ein Magnetfeld Wechselstrom- Wenn der Strom zunimmt, nimmt das Magnetfeld zu und dem Generator wird Energie entzogen. Wenn der Strom abnimmt, gibt das Feld die darin gespeicherte Energie an den Stromkreis zurück. Im Allgemeinen tritt während der Wechselstromperiode kein Energieverbrauch in einem Stromkreis mit Induktivität auf. Blindleistung wird auch Leistung genannt, die zwischen dem Generator und der Induktivität oszilliert.

Die Erzeugung eines Magnetfeldes in Motoren wird als Erregung bezeichnet.

Durch die Erzeugung eines axial zu parallelen Lichtbögen erzeugten Magnetfelds wird verhindert, dass diese sich verbinden, wodurch der Lichtbogen diffus bleibt. Der Strom von der zentralen Stromversorgung 5 breitet sich über vier radial angeordnete Leiterspeichen 6 aus, die am Umfang mit ringförmigen Leitern enden, jedoch jeweils nur auf ein Viertel des Kreises beschränkt sind. Insgesamt entsteht dadurch eine Windung, um die der Auslösestrom fließt. Die Enden dieser ringförmigen Lichtbögen sind direkt mit der Elektrode 7 verbunden, an der der Prozess der Lichtbogenzündung und -löschung stattfindet. Die sich direkt berührenden Flächen der Elektroden 7, 8 weisen radiale Schlitze auf, die ein Zusammenführen der Lichtbögen verhindern.

Um in Wechselstrommaschinen ein Magnetfeld zu erzeugen, ist Blindleistung erforderlich. In den Wicklungen einer Wechselstrommaschine fließen Wirk- und Blindströme. Blindströme erzeugen ein rotierendes Magnetfeld und die Wirkkomponenten der Ströme bestimmen die Wirkleistung der Maschine. Stationäre Blindleistung kann entweder von der Statorseite oder der Rotorseite oder von beiden Seiten der Maschine gleichzeitig stammen. Die Richtungen von Wirk- und Blindenergieflüssen können unabhängig von der Betriebsart der elektrischen Maschine übereinstimmen oder gegenläufig sein. Das bedeutet, dass Wirkleistung von der Statorseite und Blindleistung von der Rotorseite kommen kann und umgekehrt.

Um ein in Größe und Richtung bestimmtes Magnetfeld zu erzeugen, werden Helmholtz-Ringe verwendet, die aus zwei kreisförmigen Konturwicklungen mit einem Radius von 185 mm bestehen, die parallel zueinander im Abstand angeordnet sind gleich dem Radius Ringe

Grafische Berechnung zum Beispiel 5 - 4.

Permanentmagnete werden häufig zur Erzeugung eines Magnetfeldes in elektrischen Messgeräten und Geräten eingesetzt.

Um ein Magnetfeld zu erzeugen, wird ein Sägezahnstrom an die Ablenkspulen angelegt; In diesem Fall ändert sich das Magnetfeld nach einem linearen Gesetz.

Um ein Magnetfeld zu erzeugen, können Elektromagnete sowohl mit Gleich- als auch mit Wechselstrom verwendet werden. Zur magnetischen Aufbereitung von Wasser zur Kühlung von Kondensatoren werden Geräte mit Gleichstrommagneten eingesetzt.

Aufbau des Magnetron-Magnetsystems.

Zur Erzeugung eines Magnetfeldes werden Elektromagnete und Permanentmagnete eingesetzt.

Um ein Magnetfeld im Kanal des MHD-Generators zu erzeugen, werden spezielle Magnetsysteme verwendet, die mit minimalen Werten für Energie, Größe und Masse die erforderlichen Werte für Größe und Konfiguration des Magnetfelds gewährleisten müssen. Dieses Problem kann nur durch supraleitende Magnetsysteme gelöst werden.

Zur Erzeugung eines Magnetfeldes werden in einigen elektrischen Messgeräten und Geräten häufig Permanentmagnete eingesetzt.

Um ein Magnetfeld zu erzeugen, werden normalerweise Permanentmagnete verwendet, in leistungsstarken Magnetrons werden jedoch auch Elektromagnete verwendet. Die Feldinduktion beträgt 0 1 - 0 5 T und große Werte entsprechen normalerweise Magnetrons mit kürzerer Wellenlänge und gepulsten Magnetrons.

Wir erinnern uns noch an das Magnetfeld aus der Schule, aber was es darstellt, ist nicht etwas, das jedem in Erinnerung bleibt. Lassen Sie uns das bisher Besprochene auffrischen und Ihnen vielleicht etwas Neues, Nützliches und Interessantes erzählen.

Bestimmung des Magnetfeldes

Ein Magnetfeld ist ein Kraftfeld, das auf sich bewegende Objekte einwirkt. elektrische Aufladungen(Partikel). Dank dieses Kraftfeldes werden Objekte voneinander angezogen. Es gibt zwei Arten von Magnetfeldern:

Gravitation – entsteht ausschließlich in der Nähe von Elementarteilchen und variiert in ihrer Stärke je nach Eigenschaften und Struktur dieser Teilchen.
Dynamisch, erzeugt in Objekten mit bewegten elektrischen Ladungen (Stromgeber, magnetisierte Stoffe).

Die Bezeichnung für das Magnetfeld wurde erstmals 1845 von M. Faraday eingeführt, obwohl ihre Bedeutung etwas falsch war, da man glaubte, dass sowohl elektrische als auch magnetische Einflüsse und Wechselwirkungen auf der Grundlage desselben materiellen Feldes erfolgen. Später im Jahr 1873 „präsentierte“ D. Maxwell die Quantentheorie, in der diese Konzepte zu trennen begannen und das zuvor abgeleitete Kraftfeld als elektromagnetisches Feld bezeichnet wurde.

Wie entsteht ein Magnetfeld?

Die Magnetfelder verschiedener Objekte werden vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen und können nur durch spezielle Sensoren erfasst werden. Die Quelle des Auftretens von Magneten Kraftfeld Auf mikroskopischer Ebene handelt es sich um die Bewegung magnetisierter (geladener) Mikropartikel, die:

Ionen;
Elektronen;
Protonen.

Ihre Bewegung erfolgt aufgrund des magnetischen Spinmoments, das in jedem Mikropartikel vorhanden ist.

Magnetfeld, wo ist es zu finden?

So seltsam es auch klingen mag, fast alle Objekte um uns herum haben ein eigenes Magnetfeld. Obwohl in der Vorstellung vieler nur ein Kieselstein namens Magnet ein Magnetfeld besitzt, das Eisengegenstände anzieht. Tatsächlich existiert die Anziehungskraft in allen Objekten, sie manifestiert sich jedoch in einer geringeren Wertigkeit.

Es sollte auch klargestellt werden, dass ein Kraftfeld, magnetisch genannt, nur dann auftritt, wenn sich elektrische Ladungen oder Körper bewegen.

Stationäre Ladungen besitzen ein elektrisches Kraftfeld (es kann auch in bewegten Ladungen vorhanden sein). Es stellt sich heraus, dass die Quellen des Magnetfelds sind:

Permanentmagnete;
Umzugskosten.

Was sind superstarke Magnetfelder?

In der Wissenschaft werden verschiedene Wechselwirkungen und Felder als Werkzeuge zum Verständnis der Natur genutzt. Während eines physikalischen Experiments untersucht der Forscher, der das Untersuchungsobjekt beeinflusst, die Reaktion auf diesen Einfluss. Durch die Analyse ziehen sie eine Schlussfolgerung über die Natur des Phänomens. Am meisten wirksame Mittel Einfluss ist ein Magnetfeld, da Magnetismus eine weit verbreitete Eigenschaft von Stoffen ist.

Die Stärke eines Magnetfeldes ist die magnetische Induktion. Im Folgenden werden die gebräuchlichsten Methoden zur Erzeugung ultrastarker Magnetfelder beschrieben, d. h. Magnetfelder mit einer Induktion über 100 T (Tesla).

Zum Vergleich -

das mit einem supraleitenden Quanteninterferometer (SQUID) aufgezeichnete minimale Magnetfeld beträgt 10 -13 T;
Erdmagnetfeld – 0,05 mT;
Souvenir-Kühlschrankmagnete – 0,05 T;
Alnico-Magnete (Aluminium-Nickel-Kobalt) (AlNiCo) – 0,15 T;
Ferrit-Permanentmagnete (Fe 2 O 3) – 0,35 T;
Samarium-Kobalt-Permanentmagnete (SmCo) – 1,16 Tesla;
die stärksten Neodym-Permanentmagnete (NdFeB) – 1,3 Tesla;
Elektromagnete des Large Hadron Collider – 8,3 Tesla;
das stärkste konstante Magnetfeld (National High Magnetic Field Laboratory, University of Florida) – 36,2 Tesla;
Das stärkste gepulste Magnetfeld, das ohne Zerstörung der Anlage erreicht wurde (Los Alamos National Laboratory, 22. März 2012), beträgt 100,75 Tesla.

Derzeit wird in den Ländern, die dem Megagauss-Club angehören, auf dem Gebiet der Erzeugung superstarker Magnetfelder geforscht und auf internationalen Konferenzen über die Erzeugung von Megagauss-Magnetfeldern und damit verbundene Experimente diskutiert ( Gauß– Maßeinheit der magnetischen Induktion im CGS-System, 1 Megagauss = 100 Tesla).

Um Magnetfelder dieser Stärke zu erzeugen, ist eine sehr hohe Leistung erforderlich, sodass sie derzeit nur im gepulsten Modus erzielt werden können und die Impulsdauer mehrere zehn Mikrosekunden nicht überschreitet.

Entladung zu einem Single-Turn-Magnetventil

Am meisten einfache Methode Die Gewinnung ultrastarker gepulster Magnetfelder mit magnetischer Induktion im Bereich von 100...400 Tesla ist die Entladung kapazitiver Energiespeicher auf Single-Turn-Magnetspulen ( Magnet- Dies ist eine einschichtige zylindrische Spule, deren Windungen eng gewickelt sind und deren Länge deutlich größer ist als der Durchmesser.

Der Innendurchmesser und die Länge der verwendeten Spulen betragen in der Regel nicht mehr als 1 cm. Ihre Induktivität ist klein (Einheiten Nanohenry), daher sind Ströme im Megaampere-Bereich erforderlich, um in ihnen superstarke Felder zu erzeugen. Sie werden mithilfe von Hochspannungskondensatorbänken (10–40 Kilovolt) mit geringer Selbstinduktivität und einer gespeicherten Energie von mehreren zehn bis mehreren hundert Kilojoule gewonnen. In diesem Fall sollte die Zeit, bis die Induktion den Maximalwert erreicht, 2 Mikrosekunden nicht überschreiten, da sonst die Magnetspule zerstört wird, bevor ein superstarkes Magnetfeld erreicht wird.

Die Verformung und Zerstörung des Magneten erklärt sich dadurch, dass aufgrund eines starken Anstiegs des Stroms im Magneten der Oberflächeneffekt („Hauteffekt“) eine wesentliche Rolle spielt – der Strom wird in einer dünnen Schicht auf der Oberfläche konzentriert Der Magnet und die Stromdichte können sehr große Werte erreichen. Die Folge davon ist das Auftreten eines Bereichs mit erhöhter Temperatur und erhöhtem Magnetdruck im Magnetmaterial. Bereits bei einer Induktion von 100 Tesla beginnt die Oberflächenschicht der Spule, die selbst aus hochschmelzenden Metallen besteht, zu schmelzen und der magnetische Druck übersteigt die Zugfestigkeit der meisten bekannten Metalle. Mit weiterem Feldwachstum breitet sich der Schmelzbereich tief in den Leiter aus und an seiner Oberfläche beginnt die Verdampfung des Materials. Dadurch kommt es zu einer explosionsartigen Zerstörung des Magnetmaterials („Hautschichtexplosion“).

Wenn der Wert der magnetischen Induktion 400 Tesla übersteigt, dann hat ein solches Magnetfeld eine Energiedichte, die mit der Bindungsenergie eines Atoms in Festkörpern vergleichbar ist und die Energiedichte chemischer Sprengstoffe bei weitem übertrifft. Im Wirkungsbereich eines solchen Feldes kommt es in der Regel zu einer vollständigen Zerstörung des Spulenmaterials bei einer Ausdehnungsgeschwindigkeit des Spulenmaterials von bis zu 1 Kilometer pro Sekunde.

Magnetische Flusskompressionsmethode (magnetische Kumulation)

Um im Labor das maximale Magnetfeld (bis zu 2800 T) zu erhalten, wird die Magnetflusskompressionsmethode verwendet ( magnetische Kumulierung).

In einer leitfähigen zylindrischen Hülle ( Liner) mit Radius r 0 und Querschnitt S 0 Es entsteht ein axiales Ausgangsmagnetfeld mit Induktion B 0 und magnetischer Fluss F = B 0 S 0 Und. Dann wird der Liner durch äußere Kräfte symmetrisch und schnell zusammengedrückt, während sein Radius kleiner wird RF und Querschnittsfläche bis zu SF. Auch der magnetische Fluss, der die Auskleidung durchdringt, nimmt proportional zur Querschnittsfläche ab. Eine Änderung des Magnetflusses gemäß dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion führt zum Auftreten eines induzierten Stroms in der Auskleidung, der ein Magnetfeld erzeugt, das dazu neigt, die Abnahme des Magnetflusses auszugleichen. In diesem Fall erhöht sich die magnetische Induktion entsprechend um den Wert B f =B 0 *λ*S 0 /SF, wobei λ der Erhaltungskoeffizient des magnetischen Flusses ist.

Die Methode der magnetischen Kumulierung wird in Geräten namens implementiert magnetisch-kumulative (explosiv-magnetische) Generatoren. Der Liner wird durch den Druck der Explosionsprodukte chemischer Sprengstoffe komprimiert. Die Stromquelle zum Erzeugen des anfänglichen Magnetfelds ist eine Kondensatorbank. Die Begründer der Forschung auf dem Gebiet der Entwicklung magnetisch-kumulativer Generatoren waren Andrei Sacharow (UdSSR) und Clarence Fowler (USA).

In einem der Experimente im Jahr 1964 wurde mit dem magnetisch-kumulativen Generator MK-1 in einem Hohlraum mit einem Durchmesser von 4 mm ein Rekordfeld von 2500 Tesla aufgezeichnet. Die Instabilität der magnetischen Kumulierung war jedoch der Grund für die nicht reproduzierbare Natur der explosiven Erzeugung superstarker Magnetfelder. Eine Stabilisierung des magnetischen Kumulationsprozesses ist möglich, indem der magnetische Fluss durch ein System nacheinander verbundener koaxialer Schalen komprimiert wird. Solche Geräte werden Kaskadengeneratoren ultrastarker Magnetfelder genannt. Ihr Hauptvorteil besteht darin, dass sie einen stabilen Betrieb und eine hohe Reproduzierbarkeit ultrastarker Magnetfelder gewährleisten. Das mehrstufige Design des MK-1-Generators, der 140 kg Sprengstoff verwendet und eine Kompressionsgeschwindigkeit des Liners von bis zu 6 km/s gewährleistet, ermöglichte es 1998, im Russischen Föderalen Nuklearzentrum einen magnetischen Weltrekord zu erzielen Feld von 2800 Tesla in einem Volumen von 2 cm 3 . Die Energiedichte eines solchen Magnetfeldes ist mehr als 100-mal höher als die Energiedichte der stärksten chemischen Sprengstoffe.

Anwendung ultrastarker Magnetfelder

Der Einsatz starker Magnetfelder in der physikalischen Forschung begann Ende der 1920er Jahre mit den Arbeiten des sowjetischen Physikers Pjotr Leonidowitsch Kapitsa. Ultrastarke Magnetfelder werden zur Untersuchung galvanomagnetischer, thermomagnetischer, optischer, magnetisch-optischer und Resonanzphänomene eingesetzt.

Es gelten insbesondere:

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