Магнитное поле постоянного тока

Магнитное поле постоянного тока – это один из компонентов электромагнитного поля постоянного тока. Причиной его возникновения является постоянный ток, протекающий в проводящей среде (макроток).

Магнитное поле характеризуется индукцией и напряженностью магнитного поля.

Эти величины связанны соотношением:

, где

-вектор намагниченности вещества,

-магнитный момент;

-абсолютная магнитная проницаемость;

— магнитная постоянная;

— относительная магнитная проницаемость.

По типу взаимодействию с магнитным полем вещества делятся на ферромагнетики и неферромагнетики:

Неферромагнетики в свою очередь делятся на парамагнетики и диамагнетики.

Парамагнетики- вещества намагничивающиеся в направлении магнитного поля(

оксид азота, алюминий, платина, хлорид железа).

Диамагнетики- вещества намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля(азот, водород, германий, кремний, вода).

Магнитное поле действует на:

1. заряженную частицу ;

2. постоянные магниты;

3. проводник с током;

Одним из проявлений магнитного поля является воздействие его на проводник с током, помещенный в это поле.

Опыт показывает, что сила , с которой магнитное поле действует на элемент проводника длинойс током, определяется следующим образом:

— сила Ампера.

Воздействие на элемент тока максимально, когда индукция магнитного поля В и элемент длины взаимно перпендикулярны, и равна нулю когда индукция В и элемент длиныпараллельны.

Для определения направления силы используют правило Левой руки:

если мысленно расположить левую руку таким образом, что силовые линии будут входить в ладонь, вытянутые пальцы направить по току, то отогнутый большой палец покажет направление действия силы.

Закон полного тока в интегральной форме

Циркуляция вектора напряженности по замкнутому контуру равна алгебраической сумме токов, пронизывающих контур (полный ток). Под полным током понимают весь ток, пронизывающий контур интегрирования (токпроводимости и ток смещения).

Этот закон позволяет рассчитать контур в случае прямых длинных проводников.

Пример:

Рассчитать напряженность поля в точке А в поле уединенного прямого провода с током I.

Проведем через точку А окружность радиусом Rв плоскости перпендикулярной оси провода. В силу симметрии напряженность поля во всех точках окружности одна и та же, а направление напряженности совпадает с касательной к окружности.

Закон полного тока в дифференциальной форме

Выделим небольшой контур и составим для него циркуляцию вектора напряженности. Циркуляция вектора напряженности вдоль малого контура равна току, пронизывающему этот контур. Так как контур мал, то в пределах этого контура плотность тока одинакова.

где проекция вектора плотности тока на нормаль к площади.

За положительное направление нормали к площади принимают направление движения острия правого винта, головка которого вращается в направлении, принятом за положительное при обходе контура и составлении циркуляции

Тогда:

Разделим обе части равенства на элементарную площадь и устремим элементарную площадку к нулю

Если площадку ориентировать в пространстве так, что направление нормали совпадет с направлением вектора плотности тока , то вместо проекций двух векторов можно записать равенство самих векторов.

— дифференциальная форма закона полного тока.

Ротор – это функция, характеризующее поле в рассматриваемой точке в отношении способности к образованию вихрей.

Магнитное поле всегда вихревое.

В том случае, когда ,, магнитное поле можно считать условно потенциальным, т.е. каждая точка поля обладает каким–то потенциалом, неизменным во времени.

Раскрытие ротора в декартовой системе координат

Равенство векторовиозначает, что равны их проекции на осиx,y,z

Проекция ротора на направление оси z

Проекция ротора на направление оси x

Проекция ротора на направление оси y

Таким образом,

Выражение проекций ротора в цилиндрической и сферической системах координат

В цилиндрической системе координат:

В сферической системе координат:

Магнитное поле постоянного электрического тока

Сегодня на уроке мы с вами поговорим о магнитном поле постоянного электрического тока

 «Так как я уже давно рассматривал силы,

проявляющиеся в электрических явлениях,

всеобщими природными силами, то я

должен был отсюда вывести и магнитные действия»

Ханс Кристиан Эрстед

В прошлой теме говорилось о том, что вокруг движущихся электрических зарядов, существует магнитное поле, т. е. особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрическими заряженными частицами

. Магнитное поле порождается электрическим током и обнаруживается по действию на него.

Из курса физики 10 класса известно, что электрическое поле характеризуется векторной физической величиной, называемой напряженностью электрического поля. Возникает вопрос: существует ли величина, которая количественно будет характеризовать магнитное поле?

Для количественного описания магнитного поля можно воспользоваться контуром с током. Так как контур с током испытывает ориентирующее действие поля, то на него в магнитном поле действует пара сил, которая создает момент сил относительно некоторой неподвижной оси.

Вращающий момент сил зависит как от свойств поля в данной точке, так и от свойств контура. Для плоского контура с током I величина, равная произведению силы тока I на площадь S, ограниченную контуром, называется магнитным моментом контура и обозначается .

Таким образом, магнитный момент — это векторная величина, направление которой совпадает с направлением положительной нормали к контуру.

Опыт показывает, что вращающий момент зависит от расположения контура в магнитном поле. Он

равен нулю, если магнитное поле перпендикулярно плоскости контура, и максимален, если нормаль к контуру перпендикулярна магнитному полю.

Как показывает опыт, максимальный вращающий момент пропорционален силе тока и площади контура рамки с током.

Если в данную точку магнитного поля помещать контуры с разными магнитными моментами, то на них будут действовать различные вращающие моменты, однако отношение максимального вращающего момента к магнитному моменту для всех контуров одно и то же и поэтому может служить характеристикой магнитного поля. Эту величину, в физике, назвали магнитной индукцией.

Таким образом, магнитная индукция — это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля, численно равная максимальному вращающему моменту, действующему на контур с единичным магнитным моментом, и направленная вдоль положительной нормали к контуру

.

Единицей магнитной индукции в системе СИ является тесла (Тл), названная в честь великого сербского ученого и экспериментатора Николы Тесла.

[B] = [Тл]

1 Тл — это магнитная индукция такого однородного поля, в котором на контур с магнитным моментом 1 А×м² действует вращающий момент 1 Н×м.

Магнитная индукция полностью характеризует магнитное поле, так как в каждой точке поля может быть найден ее модуль и направление.

Как же направлен вектор магнитной индукции?

Известно, что в магнитном поле рамка с током на гибком подвесе, со стороны которого не действуют силы упругости, поворачивается до тех пор, пока она не установится определенным образом. Также известно, что подобным образом ведет себя и магнитная стрелка (маленький продолговатый магнит) помещенная в любую точку поля. Поэтому, ориентирующее действие магнитного поля на рамку с током или магнитную стрелку, можно использовать для определения направления вектора магнитной индукции. За направление вектора магнитной индукции принимается направление, которое показывает северный полюс магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Это направление совпадает с направлением положительной нормали к замкнутому контуру с током.

Для наглядного представления магнитного поля, его можно изображать графически с помощью линий магнитной индукции, подобно тому, как электрическое поле изображают с помощью линий напряженности.

Линией магнитной индукции называется линия, касательная к которой в каждой точке поля совпадает с вектором магнитной индукции.

Так как в каждой точке магнитного поля характеризуется определенным значением вектора магнитной индукции, то через каждую точку поля можно провести линию магнитной индукции причем только одну. При этом линии магнитной индукции не пересекаются.

Наглядное представление о линиях магнитной индукции можно получить, если на лист стекла, сквозь который проходит проводник с током, насыпать железные опилки и встряхнуть их. Опилки намагничиваются, становятся маленькими магнитными стрелками и располагаются вдоль вектора магнитной индукции.

Исследования различных магнитных полей показало, что линии магнитной индукции, в отличии от линий напряженности электростатического поля являются замкнутыми линиями.

Поля с замкнутыми векторными линиями называют вихревыми. Поэтому магнитное поле — это вихревое поле.

Замкнутость линий индукции представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля: оно свидетельствует о том, что магнитных зарядов, подобных электрическим, в природе нет. Источником магнитного поля являются движущиеся заряды и переменные электрические поля.

Рассмотрим более подробно на спектре магнитных линий различных токов. Сначала рассмотрим магнитное поле прямолинейного проводника с током потому, что именно с такими проводниками будем чаще всего сталкиваться.

Для получения спектра магнитного поля прямого проводника с током воспользуемся старым приемом. Пропустим проводник сквозь лист картона. На картон, тонким слоем насыплем железные опилки и пропустим электрический ток по проводнику.

Как видно, под действием магнитного поля железные опилки располагаются по концентрическим окружностям. По касательной к ним расположатся и магнитные стрелки вокруг такого проводника стоком.

Таким образом, линии магнитной индукции магнитного поля прямолинейного тока представляют собой концентрические окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной проводнику, с центром на оси проводника.

Направление же вектора магнитной индукции определяют с помощью правила буравчика (или правила правого винта): если поворачивать головку винта так, чтобы поступательное движение острия винта происходило вдоль тока в проводнике, то направление вращения головки указывает направление линий магнитной индукции поля прямого проводника с током.

Для изображения магнитного поля пользуются следующим приемом. Если линии однородного магнитного поля расположены перпендикулярно к плоскости чертежа и направлены от нас за чертеж, то их изображают крестиками, а если из-за чертежа к нам — то точками. Как и в случае с током, каждый крестик — это как бы видимое хвостовое оперение летящей стрелы, а точка — острие стрелы, летящей к нам.

Как показывают расчеты, модуль магнитной индукции поля прямолинейного тока может быть рассчитан по формуле:

где m – магнитная проницаемость среды;

m⁰ = 4p×10^–7 Н/А² – магнитная постоянная;

I – сила тока в проводнике;

r – расстояние от проводника до точки, в которой вычисляется магнитная индукция.

В формуле появилась новая физическая величина — магнитная проницаемость среды. Что это за величина?

Магнитная проницаемость среды — это физическая величина, показывающая, во сколько раз модуль магнитной индукции поля в однородной среде отличается от модуля магнитной индукции в той же точке поля в вакууме.

Рассмотрим магнитное поле кругового тока. Исследования показали, что линии магнитной индукции поля кругового тока не являются правильными окружностями, но они замыкаются, обходя проводник, по которому идет ток.

Направление линий магнитной индукции можно определить с помощью правила правого винта: если головку винта вращать в направлении тока в проводнике, то поступательное движение острия винта покажет направление магнитной индукции в центре кругового тока.

Модуль магнитной индукции в центре кругового тока прямо пропорционален магнитной проницаемости среды, магнитной постоянной и силе тока в проводнике, и обратно пропорционален удвоенному радиусу кругового витка.

 

Рассмотрим магнитное поле соленоида.

Соленоид — это катушка цилиндрической формы из проволоки, витки которой намотаны вплотную друг к другу в одном направлении, а длина катушки значительно больше радиуса витка.

Магнитное поле соленоида можно представить как результат сложения полей, создаваемых несколькими круговыми токами, имеющими общую ось. На рисунке видно, что внутри соленоида линии магнитного поля каждого отдельного витка имеют одинаковое направление, тогда как между соседними витками они имеют противоположное направление. Поэтому, при достаточно плотной намотке соленоида, противоположно направленные участки линий магнитного поля соседних витков взаимно уничтожаться, а одинаково направленные участки сольются в общую линию.

Изучение этого поля с помощью железных опилок показало, что внутри соленоида магнитные линии поля представляют собой прямые, параллельные оси соленоида, которые расходятся на его концах и замыкаются вне соленоида.

Зная направление тока в витке, полюсы соленоида можно определить с помощью правила правой руки: если обхватить соленоид ладонью правой руки, направив четыре пальца по направлению тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.

Модуль магнитной индукции внутри однослойного соленоида можно определить по формуле:

где N – количество витков в соленоиде;

l – длина соленоида;

n – количество витков в соленоиде, приходящееся на единицу длины.

На рисунке показано магнитное поле Земли. Линии магнитной индукции поля Земли подобны линиям магнитной индукции поля соленоида. Магнитный северный полюс близок к Южному географическому полюсу, а магнитный южный полюс — к северному географическому полюсу. Ось такого большого магнита составляет с осью вращения Земли угол 11,5⁰ градуса. Периодически магнитные полюсы меняют свою полярность. Последняя такая замена произошла около 30 000 лет назад.

Основные выводы:

– Для количественного описания магнитного поля вводится физическая величина, называемая магнитной индукцией.

– Магнитная индукция — это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля, численно равная максимальному вращающему моменту, действующему на контур с единичным магнитным моментом, и направленная вдоль положительной нормали к контуру.

– Единицей магнитной индукции в системе СИ является Тл (тесла).

– Магнитное поле — это вихревое поле, т.е. линии индукции магнитного поля замкнуты. Замкнутость линий говорит нам о том, что магнитных зарядов в природе не существует, источником магнитного поля являются движущиеся заряды и переменные электрические поля.

В каждой точке поля вектор магнитной индукции имеет определенное направление, которое можно определить по правилу буравчика.

Магнитное поле постоянного электрического тока

Похожие презентации:

Влияния состава и размера зерна аустенита на температуру фазового превращения и физико-механические свойства сплавов

Газовая хроматография

Геофизические исследования скважин

Искусственные алмазы

Трансформаторы тока и напряжения

Транзисторы

Воздушные и кабельные линии электропередач

Создание транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса

Магнитные аномалии

Нанотехнологии

Магнитное поле
постоянного
электрического
тока
Так как я уже давно рассматривал
силы, проявляющиеся в
электрических явлениях, всеобщими
природными силами, то я должен был
отсюда вывести и магнитные
действия
Ханс Кристиан Эрстед
1. Вокруг движущихся электрических зарядов, существует
магнитное поле.
2. Магнитное поле — это особый
вид материи, посредством которой
осуществляется взаимодействие
между движущимися электрически
заряженными частицами.
3. Магнитное поле порождается
электрическим током и
обнаруживается по действию на
электрический ток.
Электрическое поле
— напряженность электрического
поля.
Необходимо было бы
ввести величину, которая
будет также количественно
характеризовать магнитное
поле.
Рамка с током
Магнитный момент —
физическая величина,
равная произведению
силы тока I на площадь
S, ограниченную
контуром.
Направление совпадает с
направлением
положительной нормали к
контуру.
Вращающий момент зависит от
расположения контура в
магнитном поле.
Максимальный
вращающий момент
M=0
Отношение максимального
вращающего момента к
магнитному моменту для всех
контуров одно и то же:
M = Mmax
Магнитная индукция — это
векторная физическая величина,
являющаяся силовой характеристикой
магнитного поля, численно равная
максимальному вращающему
моменту, действующему на контур с
единичным магнитным моментом, и
направленная вдоль положительной
нормали к контуру.
Никола Тесла
полностью характеризует МП.
I
I
S
N
Направление вектора
магнитной индукции
За направление вектора
магнитной индукции
принимается направление,
которое показывает
северный полюс
магнитной стрелки,
свободно устанавливающейся в магнитном поле.
1
8
2
3
7
4
6
5
Графическое изображение
магнитных полей
Линии магнитной индукции —
линии, касательные к которым в
каждой точке поля совпадают с
направлением вектора магнитной
индукции.
Через каждую точку поля можно
провести линию магнитной
индукции и причем только одну.
Линии магнитной индукции не
пересекаются.
Линии магнитной индукции
замкнуты.
Магнитное поле — это вихревое
поле.
Фундаментальное
свойство магнитного
поля:
Магнитных зарядов, подобных
электрическим, в природе нет.
Источником магнитного поля
являются движущиеся заряды и
переменные электрические поля.
I
Магнитное поле
прямолинейного
проводника с током
Линии магнитной индукции
магнитного поля прямолинейного
тока представляют собой
концентрические окружности,
расположенные в плоскости,
перпендикулярной проводнику, с
центром на оси проводника.
Правило буравчика
(правило правого
винта):
I
I
если поворачивать головку винта
так, чтобы поступательное
движение острия винта
происходило вдоль тока в
проводнике, то направление
вращения головки указывает
направление линий магнитной
индукции поля прямого
проводника с током.
Изображение магнитного поля
От нас за чертеж
Из-за чертежа к нам
I
Магнитное поле
прямолинейного
проводника с током
µ — магнитная проницаемость среды;
µ0 — магнитная постоянная;
I — сила тока в проводнике;
r — расстояние от проводника до
точки, в которой вычисляется
магнитная индукция.
Магнитное поле
кругового тока
Линии магнитной индукции не
являются правильными
окружностями, но они замыкаются.
Правило правого
винта:
I
если головку винта вращать в
направлении тока в проводнике, то
поступательное движение острия
винта покажет направление
магнитной индукции в центре
кругового тока.
Магнитное поле
соленоида
Соленоид — это катушка
цилиндрической
формы из
проволоки,
если
обхватить соленоид
ладонью
витки которой
намотаны
вплотную
правой
руки, направив
четыре
пальца
друг
к
другу
в
одном
направлении,
по направлению тока в витках, то а
длина катушкибольшой
значительно
отставленный
палецбольше
радиуса витка.
покажет
направление линий
Правило
правой
руки:
магнитного
поля
внутри соленоида.
N — число витков в соленоиде;
l — длина соленоида.
Южный
магнитный
полюс
Периодически магнитные
полюсы меняют свою
полярность.
Сев
е
геог рный
ра
ческ фии
полю й
с
Главные выводы
Магнитная индукция — это векторная
физическая величина, являющаяся
силовой характеристикой магнитного
поля, численно равная максимальному
вращающему моменту, действующему на
контур с единичным магнитным
моментом, и направленная вдоль
положительной нормали к контуру.
Магнитное поле — это вихревое поле.
I
Магнитных зарядов в природе не
существует.
В каждой точке поля вектор магнитной
индукции имеет определенное
направление, которое можно определить
по правилу буравчика.

English     Русский Правила

Общие сведения о магнитных полях переменного и постоянного тока и смягчение их последствий

Магнитные поля постоянного и переменного тока создают электромагнитные помехи (ЭМП), которые могут ухудшить работу электронных микроскопов и инструментов для электронно-лучевой литографии. Хотя магнитные поля переменного и постоянного тока связаны между собой, каждое из них по-разному воздействует на оборудование. Существуют разные стратегии для смягчения обоих факторов, но система подавления активного магнитного поля переменного + постоянного тока часто является самым простым и наиболее экономичным решением.

Ниже приводится объяснение магнитных полей постоянного и переменного тока и того, как электромагнитные помехи могут повлиять на ваше различное лабораторное оборудование.

Объяснение магнитных полей постоянного тока

Магнитное поле постоянного тока — это постоянное магнитное поле, которое не колеблется с определенной частотой. Поля постоянного тока естественным образом возникают в магнитном поле Земли, и электрические системы с питанием от постоянного тока также могут генерировать магнитные поля постоянного тока. Для магнитных полей постоянного тока существует постоянное притяжение между отрицательным и положительным. Инженеры настраивают электронные микроскопы и электронно-лучевые инструменты на основе фоновых магнитных полей постоянного тока в месте установки.

Сравнимым примером может быть стрельба из лука по мишеням. Они приспосабливают свой выстрел к ветру, чтобы поразить цель. Пока этот ветер остается постоянным, их оборудование будет точным. Если ветер меняется или переменчив, полет стрелы будет меняться, и лучник будет бороться с точностью.

Более подробное объяснение магнитных полей постоянного тока и возмущений приведено в предыдущей записи блога. На что нам следует обратить более пристальное внимание, так это на меньшие, но все же значительные изменения в магнитных полях постоянного тока и источниках магнитного поля постоянного тока ближе к месту нахождения вашей лаборатории. Большие ферромагнитные объекты, такие как грузовики, стальные двери, лифты или даже металлические стулья, могут вызывать изгиб силовых линий магнитного поля Земли. Изгиб магнитного поля Земли приводит к изменению полей постоянного тока в месте расположения вашего инструмента. Помимо изменений в магнитных полях постоянного тока, другими распространенными источниками являются электрические системы с питанием от постоянного тока. К ним относятся приборы спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) или разряд батареи конденсаторов.

Как электромагнитные помехи постоянного тока ухудшают характеристики электронного микроскопа или электронно-лучевой литографии

Изменения локализованных магнитных полей постоянного тока вызывают дрейф луча в электронных микроскопах, что приводит к размытому изображению. Это сравнимо с перемещением листа бумаги, пока сканер сканирует изображение. В инструментах для электронно-лучевой литографии изменение магнитных полей постоянного тока вызывает смещение электронного луча, что приводит к ухудшению качества.

Но магнитные поля постоянного тока — не единственное воздействие, с которым сталкивается лабораторное оборудование. Магнитные поля переменного тока могут воздействовать на ваше оборудование, но по-разному.

Объяснение магнитных полей переменного тока

Магнитные поля переменного тока колеблются от положительного к отрицательному, обычно с частотой 60 Гц в США, но также могут регистрироваться с частотой 50 Гц в зависимости от страны. Электрическое оборудование, такое как трансформаторы или ответвительные панели, часто является источником магнитных полей переменного тока. В старых зданиях магнитные поля переменного тока могут быть вызваны неправильной проводкой, созданием чистого тока в электрических проводах или на металлическом каркасе здания. Суммарные токи в электропроводке или конструкции здания приводят к возникновению магнитных полей переменного тока без видимого источника.

Как электромагнитные помехи переменного тока ухудшают работу электронного микроскопа или электронно-лучевой литографии

Колеблющийся ток в магнитных полях переменного тока заставляет луч двигаться вперед и назад с частотой 50 или 60 Гц, в зависимости от того, где вы находитесь. Помехи электромагнитных помех переменного тока вызывают появление неровностей вокруг внешней стороны изображения, обычно называемых флажками или пилообразными краями, и делают изображение непригодным для использования.

Как смягчить поля постоянного и переменного тока на объекте

Существует несколько способов ослабления магнитных полей постоянного тока вблизи вашего объекта. Первым вариантом было бы устранение источников магнитного поля, но это часто оказывается сложным или невозможным. Например, вы, скорее всего, не сможете удалить лифт или железнодорожную линию. Другим вариантом было бы использование экранирования MuMetal, но это может добавить к стоимости проекта несколько сотен тысяч долларов, если не миллионы. Другими словами, это часто непозволительно дорого. Способ, которым большинство лабораторий выбирают для уменьшения электромагнитных помех постоянного и переменного тока, заключается в установке системы подавления активного магнитного поля постоянного и переменного тока. Системы подавления магнитного поля, как правило, не мешают лаборатории и намного дешевле, чем экранирование.

Смягчение магнитных полей переменного тока включает аналогичный набор опций. Один из методов заключается в устранении неправильной проводки, например короткого замыкания между землей и нейтралью, плавающего заземления или других проблем с электричеством. Непосредственное устранение проблем с проводкой может быть сложным и инвазивным, а результаты не всегда гарантированы. Другим вариантом является использование защиты от магнитного поля, такой как сталь или алюминий. Для эффективного экранирования помещения необходимо установить алюминий или сталь на все стены, пол и потолок.

По этой причине экранирующие компании используют четвертьдюймовый алюминий, чтобы снизить нагрузку на конструкцию помещения. Компаниям, производящим экранирование, также необходимо учитывать механические, электрические и водопроводные проникновения. Хотя это и очевидно, это еще один дорогостоящий и навязчивый подход к проблеме. И здесь система подавления активного магнитного поля стоит значительно меньше денег при той же высокой уверенности в успехе.

Помощь в смягчении возмущений магнитного поля

Как переменные, так и постоянные магнитные поля являются хорошо известными помехами и общими факторами, влияющими на работу ваших электронных микроскопов и инструментов для электронно-лучевой литографии. Хотя оба типа электромагнитных помех связаны между собой, они по-разному воздействуют на инструменты. Эксперты Vibration Engineering Consultants могут помочь вам количественно определить проблему и определить ее источник. Мы можем помочь вам смягчить поля в вашем учреждении. Если у вас есть вопросы о вашей лаборатории или вы хотите обсудить вашу ситуацию, свяжитесь с нами сегодня!

Методы измерения поля постоянного тока — MagLab

• Услуги пользователя
• Поле постоянного тока

Ниже приведен список методов измерения, доступных на полевом объекте DC. Для получения списка всех методов, доступных во всех учреждениях MagLab, перейдите на нашу главную страницу методов измерения.

Полевой комплекс постоянного тока имеет возможность измерять образцы с низким сопротивлением в непрерывных полях до 45 Тл. В MagLab имеется большая часть стандартной лабораторной электроники, с которой пользователи имеют опыт работы для измерений в более слабом поле, включая блокирующие усилители, источники тока. и предварительные усилители.

Магнитная восприимчивость переменного тока измеряет магнитный момент образца, который подвергается воздействию колеблющегося внешнего магнитного поля.

Емкостной дилатометр измеряет изменение размера образца, отслеживая емкость между двумя параллельными пластинами.

Пользователь может поместить небольшие образцы в индуктор (т. е. катушку) LC-контура, колеблющегося на резонансной частоте.

Измерения электрического транспорта можно проводить при температурах от 20 мК и магнитных полях до 45 Тл методами переменного или постоянного тока.

Диэлектрическая емкость измеряет емкость и рассеяние объемного или тонкопленочного образца.

ЭПР и ЭПР — два названия одного и того же метода (ЭПР предпочитают химики и биологи, а ЭПР — физики), который основан на обнаружении переходов между расщепленными магнитным полем спиновыми подуровнями в системах с неспаренными электронами, в частности, в парамагнетиках.

Удельная теплоемкость материала — это мера теплоты, необходимая для повышения температуры данного количества материала, обычно грамма или моля, на 1 градус Кельвина.

Измерения больших токов в MagLab используются в основном для определения характеристик/тестирования сверхпроводящих материалов.

Для удовлетворения потребностей пользователей были разработаны различные датчики давления, в том числе поршневые цилиндры большого объема с максимальным рабочим давлением 2,5 ГПа и ячейки с алмазными наковальнями (DAC), которые достигают давления более 20 ГПа для оптических измерений и 10 ГПа для измерений, требуют введения электрических проводов.

ИК-Фурье-спектрометры Bruker соединены с SCM3 и резистивным магнитом в ячейке 8.

Лаборатория может похвастаться группой ЯМР конденсированных сред, занимающейся исследованиями ЯМР в максимально возможных полях в широком диапазоне температур.

Широкополосная микроволновая измерительная способность до 40 ГГц.

Фазовые переходы, приводящие к небольшим изменениям длины (даже порядка нанометров) из-за теплового расширения или магнитострикции, можно устранить, установив контакт между кончиком миниатюрного пьезорезистивного кантилевера и образцом.

В эхо-импульсном ультразвуковом методе ультразвуковая волна возбуждается и регистрируется двумя идентичными пьезоэлектрическими преобразователями (передатчиком и приемником), которые приклеиваются к полированным противоположным сторонам образца.

В эксперименте по комбинационному рассеянию образец освещается лазерным светом известной частоты (энергии) и поляризации, рассеянный свет собирается и анализируется на частоту и поляризацию.

Использование механических резонансов для определения модулей упругости материалов, представляющих интерес для физиков конденсированных сред, инженеров и материаловедов, неуклонно развивается. Благодаря огромным вычислительным возможностям обычного персонального компьютера теперь можно найти все модули упругости низкосимметричных твердых тел, используя сложный анализ набора самых низких резонансов.

Метод бесконтактных поверхностных акустических волн (ПАВ) применяется для исследования высокочастотной проводимости в низкоразмерных (2D) структурах путем измерения затухания и скорости ПАВ.

Моментный магнитометр является одним из наиболее чувствительных приборов для измерения магнитных свойств.

В этом методе используется стрик-камера для измерения времени жизни фотолюминесценции с минимальной продолжительностью 2 пс.

Магнитооптический зонд Керра обеспечивает лабораторию уникальным прибором для измерения свойств сверхтонких магнитных пленок и мультислоев в сильных магнитных полях и криогенных температурах (2K-325K).

Магнитометр с вибрационным образцом (VSM) используется для измерения постоянной магнитной восприимчивости и постоянной намагниченности. VSM использует закон Фарадея для измерения абсолютного магнитного момента магнитного образца.

Рентгеновское выравнивание — это метод подготовки образцов, который выполняется перед помещением монокристаллов в магниты.

Прибор для дифракции рентгеновских лучей имеется на Флоридском магните с расщепленной катушкой 25 Тесла в NHMFL и позволяет изучать магнитоструктурные превращения в диапазоне температур ~10 К — 300 К9. 0003

Магнитное поле постоянного тока мощностью 45,5 тесла, создаваемое высокотемпературным сверхпроводящим магнитом

Abstract

Сильные магнитные поля требуются во многих областях, таких как медицина (магнитно-резонансная томография), фармацевтика (ядерный магнитный резонанс), ускорители частиц ( такие как Большой адронный коллайдер) и термоядерные устройства (например, Международный термоядерный экспериментальный реактор, ИТЭР), а также для других разнообразных научных и промышленных целей. В течение почти двух десятилетий 45 тесла было максимально достижимым магнитным полем постоянного тока (постоянного тока); однако такое поле требует использования резистивного магнита мощностью 31 мегаватт и 33,6 тесла внутри катушек из низкотемпературного сверхпроводника на 11,4 тесла ¹ , и такие мощные резистивные магниты доступны только в нескольких предприятиях по всему миру ² . Напротив, сверхпроводящие магниты широко распространены из-за их низкой потребляемой мощности. Здесь мы сообщаем о катушке из высокотемпературного сверхпроводника, которая генерирует магнитное поле 14,4 тесла внутри резистивного фонового магнита 31,1 тесла для получения постоянного тока. магнитное поле 45,5 тесла — самое высокое поле, достигнутое до сих пор, насколько нам известно. В магните используется токопроводящая лента, покрытая REBCO (REBa ₂ Cu ₃ O _x , где RE = Y, Gd) на подложке толщиной 30 микрометров ³ , что делает катушку очень компактной и способной работать при очень высокой плотности тока обмотки 1260 ампер на квадратный миллиметр. Работа при такой плотности тока возможна только потому, что магнит намотан без изоляции ⁴ , что позволяет быстро и безопасно осуществить гашение из сверхпроводящего состояния в нормальное ^5,6,7,8,9,10 . Испытательный магнит на 45,5 тесла подтверждает предсказания ¹¹ для сильнопольных сверхпроводниковых магнитов на основе оксида меди за счет создания поля в два раза выше поля, создаваемого низкотемпературными сверхпроводящими магнитами.

Это предварительный просмотр содержимого подписки, доступ через ваше учреждение

Соответствующие статьи

Статьи открытого доступа со ссылками на эту статью.

• Дистанционное и точное управление морфологией и движением органических кристаллов с помощью магнитного поля

  • Сюэсун Ян
  • , Линфэн Лань
  •  … Хунъюй Чжан

  Связь с природой Открытый доступ 28 апреля 2022 г.

Варианты доступа

Подписаться на журнал

Получить полный доступ к журналу на 1 год

199,00 €

всего 3,90 € за выпуск

Подписаться

Расчет налогов будет завершен во время оформления заказа.

Купить статью

Получите ограниченный по времени или полный доступ к статье на ReadCube.

$32,00

Купить

Все цены указаны без учета стоимости.

Рис. 1: Проектирование и конструкция КБТ. Рис. 2: Магнитные поля, измеренные в центре LBC3, и ток питания во время испытаний. Рис. 3: Напряжения ДП во время гашения LBC3 при 45,5 Тл. Рис. 4: Посмертный анализ сверхпроводящей ленты. Рис. 5: Электронно-микроскопические изображения блинов P1 и P2 после закалки.

Доступность данных

Данные, подтверждающие результаты этого исследования, можно получить у соответствующего автора по обоснованному запросу.

Ссылки

1. Миллер, Дж. Р. Гибридная магнитная система NHMFL 45-T: прошлое, настоящее и будущее. IEEE Trans. заявл. Суперконд . 13 , 1385–1390 (2003).

   Google ученый

2. Toth, J. & Bole, S. T. Проектирование, изготовление и первые испытания полностью резистивного магнита на 41,5 Тл в NHMFL в Таллахасси. IEEE Trans. заявл. Суперконд . 28 , 4300104 (2018).

   Google ученый

3. Сундарам, А. и др. Провода 2G HTS изготовлены на подложке Hastelloy толщиной 30 мкм. Суперконд. науч. Технол . 29 , 104007 (2016).

   Google ученый

4. Hahn, S., Park, D.K., Bascuñán, J. & Iwasa, Y. Блинчатые катушки HTS без межвитковой изоляции. IEEE Trans. заявл. Суперконд . 21 , 1592–1595 (2011).

   Google ученый

5. Хан, С. и др. Метод обмотки разной ширины без изоляции для высокотемпературного сверхпроводящего магнита. Заявл. физ. Письмо . 103 , 173511 (2013).

   Google ученый

6. Юн, С. и др. 26 T 35 мм all-GdBa ₂ Cu ₃ O _{7− x} сверхпроводящий магнит разной ширины без изоляции. Суперконд. науч. Технол . 29 , 04LT04 (2016).

   Google ученый

7. Bascuñán, J., Michael, P., Hahn, S., Lecrevisse, T. & Iwasa, Y. Конструкция и результаты испытаний катушки 2 трехкатушечной вставки REBCO 800 МГц для 1,3 ГГц ЯМР магнит высокого разрешения. IEEE Trans. заявл. Суперконд . 27 , 4300504 (2017).

   Google ученый

8. Jang, J.Y. et al. Проектирование, конструкция и работа при температуре 13 K с кондуктивным охлаждением магнита 3 T 100 мм в оболочке из нержавеющей стали, полностью изготовленного из REBCO. Суперконд. науч. Технол . 30 , 105012 (2017).

   Google ученый

9. Лю Дж., Ван Л., Цинь Л., Ван К. и Дай Ю. Недавняя разработка полностью сверхпроводящего магнита 25 Тл в IEE. IEEE Trans. заявл. Суперконд . 28 , 4301305 (2018).

   Google ученый

10. Lécrevisse, T. et al. Вариант метода обмотки ВТС без изоляции с использованием металла в качестве изоляции: блинчатые испытания в условиях сильного фонового магнитного поля и высокого тока при 4,2 К. Supercond. науч. Технол . 31 , 055008 (2018).

    Google ученый

11. Гальперин, Б. и др. Наука о сильном магнитном поле и ее применение в Соединенных Штатах: текущее состояние и будущие направления (National Academys Press, 2013).

12. «>

    Wang, X. et al. Межвитковые контактные характеристики для модели эквивалентной схемы блинчатой ​​катушки ReBCO без изоляции. Суперконд. науч. Технол . 26 , 035012 (2013).

    Google ученый

13. Лу, Дж., Годдард, Р., Хан, К. и Хан, С. Контактное сопротивление между двумя лентами REBCO под нагрузкой и циклами нагрузки. Суперконд. науч. Технол . 30 , 045005 (2017).

    Google ученый

14. Бонура, М. и др. Систематическое исследование контактного сопротивления между лентами REBCO: зависимость от давления в случае отсутствия изоляции, металлической совмещенной обмотки и металлической изоляции. IEEE Trans. заявл. Суперконд . 29 , 6600305 (2019).

    Google ученый

15. Ким, С., Хан, С., Ким, К. и Ларбалестье, Д. Метод создания линейных характеристик поля тока и устранения задержки зарядки в сверхпроводящих магнитах без изоляции. Суперконд. науч. Технол . 30 , 035020 (2017).

    Google ученый

16. Бай, Х., Ханнас, С.Т., Маркевич, В.Д. и Вейерс, Х.В. Газообразный пузырь гелия, захваченный жидким гелием в сильном магнитном поле. Заяв. физ. Летт . 104 , 133511 (2014).

    Google ученый

17. Хан, С. и др. Картирование поля, форма линии ЯМР и экранирующие токи вызвали анализ поля для улучшения однородности в магнитах LTS/HTS NMR. IEEE Trans. заявл. Суперконд . 18 , 856–859 (2008).

    Google ученый

18. Амемия, Н. и Акачи, К. Магнитное поле, создаваемое экранирующим током в высоких Т _c сверхпроводящие катушки для магнитов ЯМР. Суперконд. науч. Технол . 21 , 095001 (2008 г.).

    Google ученый

19. Ahn, M.C. et al. Пространственные и временные вариации магнитного поля, индуцированного экранирующим током, в двухпанельной ВТСП-вставке магнита ЛТСП/ВТСП ЯМР. IEEE Trans. заявл. Суперконд . 19 , 2269–2272 (2009).

    Google ученый

20. Koyama, Y. et al. ЯМР на частотах выше 1 ГГц: механизм долговременного дрейфа магнитного поля, индуцированного экранирующим током, в катушке Bi-2223. Physica C 469 , 694–701 (2009).

    Google ученый

21. Уеда, Х. и др. Измерение и моделирование магнитного поля, создаваемого экранирующими токами в ВТСП-катушке. IEEE Trans. заявл. Суперконд . 24 , 4701505 (2014).

    Google ученый

22. «>

    Кадзикава, К. и др. Конструкции и испытания качающихся катушек для снижения экранирующих токов, индуцируемых в ВТСП-вставных катушках для ЯМР-магнита. IEEE Trans. заявл. Суперконд . 25 , 4300305 (2015).

    Google ученый

23. Ван, Л. и др. Экранирование магнитного поля, индуцированного током, в неизолированной ВТСП-катушке GdBCO для полностью сверхпроводящего магнита 24 Тл. Заявл. Суперконд . 27 , 8200106 (2017).

    Google ученый

24. Сонг, Ж.-Б. & Хан, С. Поправка на «ток утечки» для измерения критического тока неизолированной высокотемпературной катушки. Прог. Суперконд. Криог . 19 , 48–52 (2017).

    Google ученый

25. Weijers, H.W. et al. Ход разработки и создания сверхпроводящего магнита 32 Тл. IEEE Trans. заявл. Суперконд . 26 , 4300807 (2016).

    Google ученый

26. Бхаттараи К.Р., Ким К., Ким С., Ли С.-Г. & Хан, С. Анализ гашения разноширокого неизолированного магнита REBCO 7-T диаметром 78 мм. IEEE Trans. заявл. Суперконд . 27 , 4603505 (2017).

    Google ученый

27. Сонг, Ж.-Б. и другие. Испытание на гашение перегрузки по току и характеристики самозащиты магнита REBCO разной ширины 7 T/78 мм без изоляции при 4,2 К. Суперконд. науч. Технол . 28 , 114001 (2015).

    Google ученый

28. Янагисава Ю. и др. Базовый механизм самовосстановления от теплового разгона неизолированных блинчатых катушек REBCO. Physica C 499 , 40–44 (2014).

    Google ученый

29. «>

    Ван, Т. и др. Анализ переходных режимов блинчатых катушек REBCO без изоляции во время внезапного разряда и перегрузки по току. IEEE Trans. заявл. Суперконд . 25 , 4603409 (2015).

    Google ученый

30. Маркевич, В. Д., Ярошински, Дж. Дж., Абраимов, Д. В., Джойнер, Р. Э. и Хан, А. Анализ гашения блинчатой ​​обмотки катушек REBCO с низким сопротивлением между витками. Суперконд. науч. Технол . 29 , 025001 (2016).

    Google ученый

31. Wang, Y., Chan, W.K. & Schwartz, J. Механизмы самозащиты при отсутствии изоляции (RE)Ba ₂ Cu ₃ O _x плоские катушки из высокотемпературного сверхпроводника. Суперконд. науч. Технол . 29 , 045007 (2016).

    Google ученый

32. Coulter, J. Y., Ugurlu, O., Willis, J.O., Holesinger, T.G. & Xie, Y.-Y. Выявление и исследование вариаций J _c в проводниках с покрытием, изготовленных методом MOCVD/IBAD. АИП Конф. Процедура . 1219 , 347–354 (2010).

    Google ученый

33. Янагисава Ю. и др. Выдающаяся слабость проводников с покрытием YBCO к напряжению расщепления и его влияние на характеристики катушки YBCO. Physica C 471 , 480–485 (2011).

    Google ученый

34. Markiewicz, W.D. et al. 33,8 тесла с YBa ₂ Cu ₃ O _{7− x} Сверхпроводящая тестовая катушка. АИП Конф. Процедура . 1218 , 225–230 (2010).

    Google ученый

35. Trociewitz, U. P. et al. Поле 35,4 Тл, создаваемое с помощью сверхпроводящей катушки со слоистой обмоткой, изготовленной из (RE)Ba ₂ Cu ₃ O _{7− x} (RE = редкоземельный металл) проводника с покрытием. Заяв. физ. Письмо . 99 , 202506 (2011).

    Google ученый

36. Брандт, Э. Х. и Инденбом, М. Полоса сверхпроводника II типа с током в перпендикулярном магнитном поле. Физ. Ред. B 48 , 12893–12906 (1993).

    Google ученый

37. Фуртнер С., Немечек Р., Семерад Р., Сигл Г. и Пруссейт В. Измерение критического тока между катушками проводников с покрытием. Суперконд. науч. Технол . 17 , S281–S284 (2004).

    Google ученый

Скачать ссылки

Благодарности

Мы благодарны многим за помощь на этапе создания катушки, в том числе Б. Джарвис (намотка), П. Нойес (тестирование), С. Боле и Г. Миллер (дизайн), и Д. Хейзелтон из SuperPower Inc. за помощь в приобретении этого проводника со специальным покрытием из раннего производства. Эта работа была выполнена в Национальной лаборатории сильных магнитных полей, которая поддерживается Соглашением о сотрудничестве Национального научного фонда DMR-1644779.и штат Флорида. Часть аналитической работы С.Х. была поддержана Исследовательским центром Samsung Electronics по финансированию и инкубации в рамках проекта № SRFC-IT1801-09 и Национальным исследовательским фондом Кореи в рамках исследовательской программы среднего звена (номер 2018R1A2B3009249).

Информация об авторе

Авторы и организации

1. Национальная лаборатория сильного магнитного поля, Университет штата Флорида, Таллахасси, Флорида, США , Кабиндра Р. Бхаттараи, Со Ногучи, Ян Ярошински и Дэвид С. Ларбалестье

2. Факультет электротехники и вычислительной техники, Сеульский национальный университет, Сеул, Южная Корея

   Seungyong Hahn

3. Факультет машиностроения, Чханвонский национальный университет, Чханвон, Южная Корея

   2 Сеохо Ким 9 Машиностроение, Инженерный колледж FAMU-FSU, Таллахасси, Флорида, США

   Kabindra R. Bhattarai и David C. Larbalestier

4. Высшая школа информационных наук и технологий, Университет Хоккайдо, Саппоро, Япония

   So Noguchi

Авторы

1. Seungyong Hahn

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

2. Kwanglok Kim

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

3. Kwangmin Kim

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия

4. Xinbo Hu

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

5. Thomas Painter

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

6. Iain Dixon

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

7. Сеохо Ким

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

8. Kabindra R. Bhattarai

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

9. So Noguchi

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

10. Jan Jaroszynski

    Посмотреть публикации автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

11. David C. Larbalestier

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Contributions

S.H. и Д.К.Л. задумал идею и руководил работой и написанием; С.Х. выполнен первоначальный электромагнитный и механический расчет ББК; Т.П. и И.Д. руководил строительством катушки; Кванглок Ким и Кванмин Ким внесли свой вклад в конструкцию катушки и обработали приборы; Дж.Дж. и Т.П. контролировал криогенную систему; К.Б., С.Н., С.К. и С.Х. выполнено моделирование и анализ; и Х. Х. выполнил вскрытие катушки.

Автор, ответственный за переписку

Переписка с Дэвид С. Ларбалестье.

Заявление об этике

Конкурирующие интересы

Авторы не заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Дополнительная информация

Примечание издателя: Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Рисунки и таблицы с расширенными данными

Расширенные данные Рис. 1. Геометрия трех одинарных блинчатых испытательных катушек.

Тестовые катушки были изготовлены из той же ленты подложки толщиной 30 мкм, что и в LBC3, и были созданы для имитации 25 крайних витков LBC3. Ленты в катушке A и катушке B имеют только один край прорези, где их ориентация и положение отличаются от предполагаемых ориентаций без повреждений на рис. 4. Катушка A расположена так, что ее край прорези обращен внутрь к центру магнита, B имеет обратную и небезопасную ориентацию. Катушки A и B помещаются в тот же магнит 31-T, который использовался для испытания катушки LBC3, в положение, аналогичное положению блина P1, где радиальное поле максимально. Катушка C размещена в области центрального поля, где радиальное поле практически равно нулю и действует только кольцевое натяжение, имитирующее центральные блины P6 и P7.

Расширенные данные Рис. 2 Двумерные карты намагниченности Холла и реконструированный транспортный критический ток,

I _c .

Карты получены для катушек A, B и C до (вверху) и после (внизу) испытаний в сильном поле, I _c реконструированы для 77 K, B || c и 0,6 Тл. Ни одна из катушек не подвергалась закалке. Катушки A и B подвергались циклическому вращению восемь и пять раз, соответственно, в диапазоне 225–250 А в фоновом поле 31 Тл. Пиковая кольцевая деформация (магнитная плюс изгиб) составляла 0,27%. Катушка А показала номер I _c деградация, но на кромке щели катушки B появились явные повреждения (см.