СВЕРХСИЛЬНЫЕ МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ • Большая российская энциклопедия

Авторы: В. Ф. Демичев

СВЕРХСИ́ЛЬНЫЕ МАГНИ́ТНЫЕ ПОЛЯ́, маг­нит­ные по­ля на­пря­жён­но­стью H⩾1 МЭ (гра­ни­ца ус­лов­на). Сла­бые (до 0,5 кЭ, 1 Э=79,6 А/м) и сред­ние (до 40 кЭ) маг­нит­ные по­ля по­лу­ча­ют в ла­бо­ра­тор­ных ус­ло­ви­ях с по­мо­щью по­стоян­ных маг­ни­тов и элек­тро­маг­ни­тов. Для по­лу­че­ния силь­ных ста­цио­нар­ных по­лей (до 500 кЭ) ис­поль­зу­ют ох­ла­ж­дае­мые и сверх­про­во­дя­щие со­ле­нои­ды (ка­туш­ки) (см. Сверх­про­во­дя­щий маг­нит) и их ком­би­на­ции с элек­тро­маг­ни­та­ми. По­ля св. 500 кЭ по­лу­ча­ют прак­тиче­ски толь­ко в ква­зи­ста­цио­нар­ных (дли­тель­ность им­пуль­са τ∼10^–3-10 с) или им­пульс­ных (τ<10^–3 с) ре­жи­мах при про­пус­ка­нии силь­но­го элек­трич. то­ка че­рез со­ле­нои­ды разл. кон­ст­рук­ции ли­бо при сжа­тии внеш­ни­ми си­ла­ми маг­нит­но­го по­то­ка внут­ри замк­ну­то­го про­во­дя­ще­го вит­ка (лай­не­ра).

Одновитковый соленоид, включённый в цепь конденсаторной батареи: С – конденсаторная батарея; Р – разрядник; R – сопротивление контура; L – внутренняя индуктивность контура.

Ге­не­ра­ция С. м. п. на­пря­жён­но­стью ⩾1 МЭ со­про­во­ж­да­ет­ся су­ще­ст­вен­ны­ми по­вре­ж­де­ния­ми ма­те­риа­ла ка­ту­шек и да­же их раз­ру­ше­ни­ем, т. е. маг­нит­ные сис­те­мы ста­но­вят­ся при­год­ны­ми толь­ко для од­но­крат­но­го при­ме­не­ния. Про­стей­ший спо­соб по­лу­че­ния С. м. п. – раз­ряд ба­та­реи им­пульс­ных кон­ден­са­то­ров че­рез од­но­вит­ко­вый со­ле­но­ид (рис.). Внутр. диа­метр и дли­на ка­ту­шек обыч­но не пре­вы­ша­ют 1 см. Ин­дук­тив­ность их ма­ла (L∼10^–9 Гн), по­это­му для ге­не­ра­ции в них С. м.п. тре­бу­ют­ся то­ки ∼10⁶ А. Их по­лу­ча­ют с по­мо­щью вы­со­ко­вольт­ных кон­ден­са­тор­ных ба­та­рей с низ­кой собств. ин­дук­тив­но­стью и за­па­сае­мой энер­ги­ей W∼10⁴–10⁶ Дж. Дли­тель­ность им­пуль­сов по­лу­чае­мо­го по­ля τ∼10^–6–10^–5 с. Та­ким спо­со­бом по­лу­ча­ют маг­нит­ные по­ля до 4 МЭ. По­ле в 4 МЭ об­ла­да­ет плот­но­стью энер­гии, срав­ни­мой с энер­ги­ей свя­зи ато­ма в твёр­дых те­лах, ко­то­рая для ме­тал­лов име­ет ве­ли­чи­ну в нес­коль­ко эВ/атом. В зо­не дей­ст­вия та­ко­го по­ля, как пра­ви­ло, про­ис­хо­дит пол­ное раз­ру­ше­ние (пре­вра­ще­ние в пар) ма­те­риа­ла ка­туш­ки.

Са­мые вы­со­кие зна­че­ния по­ля (вплоть до 25 МЭ) по­лу­ча­ют ме­то­дом сжа­тия маг­нит­но­го по­то­ка (маг­нит­ная ку­му­ля­ция). Ес­ли внут­ри про­во­дя­щей ци­лин­д­рич. обо­лоч­ки (лай­не­ра) соз­дать ак­си­аль­ное маг­нит­ное по­ле и за­тем сим­мет­рич­но и дос­та­точ­но бы­ст­ро сжать лай­нер внеш­ни­ми си­ла­ми, то маг­нит­ный по­ток внут­ри лай­не­ра не ус­пе­ет из­ме­нить­ся и по­ле воз­рас­тёт. Для соз­да­ния на­чаль­но­го маг­нит­но­го по­то­ка мо­жет быть ис­поль­зо­ва­на кон­ден­са­тор­ная ба­та­рея ли­бо др. маг­ни­то­ку­му­ля­тив­ный ге­не­ра­тор энер­гии. Сжа­тие лай­не­ра мо­жет про­из­во­дить­ся дав­ле­ни­ем про­дук­тов взры­ва хи­мич. ве­ществ, а так­же элек­тро­ди­на­мич. си­ла­ми, соз­да­вае­мы­ми воз­рас­таю­щим внеш­ним маг­нит­ным по­лем.

Из­ме­ре­ния на­пря­жён­но­сти С. м. п. про­из­во­дят­ся от­ка­либ­ро­ван­ны­ми ин­дук­ци­он­ны­ми дат­чи­ка­ми (маг­нит­ны­ми зон­да­ми), а так­же по ве­ли­чи­не Фа­ра­дея эф­фек­та и Зее­ма­на эф­фек­та.

С. м. п. при­ме­ня­ют­ся в фи­зи­ке твёр­до­го те­ла в ис­сле­до­ва­ни­ях галь­ва­но­магнит­ных, тер­мо­маг­нит­ных, оп­тич., маг­ни­то­оп­тич., ре­зо­нанс­ных яв­ле­ний и сверх­про­во­ди­мо­сти; в ядер­ной фи­зи­ке и фи­зи­ке эле­мен­тар­ных час­тиц – для иден­ти­фи­ка­ции час­тиц, фо­ку­си­ров­ки и от­кло­не­ния за­ря­жен­ных час­тиц, для ге­не­ра­ции мощ­но­го тор­моз­но­го из­лу­че­ния; в фи­зи­ке плаз­мы и управ­ляе­мом тер­мо­ядер­ном син­те­зе; для изу­че­ния свойств ве­ществ в экс­тре­маль­ных ус­ло­ви­ях.

Моделирование и экспериментальная апробация соленоидов с квазибессиловыми обмотками применительно к задачам получения сильных и сверхсильных магнитных полей и накопления энергии

в работе

• Подразделение Институт энергетики

Цель проекта
Создание реальных прототипов квазибессиловых магнитов и подтверждение ожидаемых прочностных характеристик как путем компьютерного моделирования, так и путем экспериментов. Для исследования прочностных порогов обмотки предполагается использовать как простые образцы в виде соленоидов, с закрепленными торцами (рис.1а), так и соленоиды с обмоткой, имеющей форму фигур равновесия , на границах которых отсутствует нормальная компонента индукции, приводящая к появлению дополнительных аксиальных и азимутальных сил (рис.1б). Для измерения малых деформаций в процессе разряда необходимо использовать лазерный оптоволоконный интерферометр. На основе полученных данных может быть разработана и реализована система коррекции поля. Далее должны быть проведены прочностные испытания разработанных магнитов. Конфигурации, разработанные для магнитов сверхсильного поля, могут быть использованы при создании индуктивных накопителей энергии, выполненных из высокотемпературных сверхпроводников. Разработанные методы коррекции поля можно использовать не только для обеспечения прочности обмотки, но и для повышения критического тока таких проводников.

Партнеры 
НИИ Электрофизической аппаратуры им.

Д.Е.Ефремова
Потенциальный партнер -Лаборатория Сильных Магнитных полей ( Россендорф, Германия) 

Используемые ресурсы и оборудование
Емкостные накопители с энергиями 40  и 500 кДж; оборудование для лазерных измерений малых деформаций ; освоенные программы для двух –и трехмерных расчетов поля, электромагнитных сил и деформаций магнитов (Рис.1).

Ожидаемые результаты
1. Разработка методики компьютерного моделирования поля и механических напряжений в квазибессиловой обмотке. Получение данных модельных измерений, подтверждающих соответствие рассчитанного поля эксперименту. Разработка методики коррекции поля.

2. Исследование деформации обмотки в ходе разряда с помощью лазерного интерферометра и определение  прочностного порога уравновешенной обмотки

3. Разработка технических предложений по созданию неразрушаемого магнита с индукцией магнитного поля, превышающей наибольшие достигнутые в настоящее время.

4. Разработка дополнительной уравновешенной обмотки для магнитов традиционного исполнения с целью повышения уровня достижимого поля без увеличения механических напряжений в магнитной системе (Рис.2).

5. Разработка методики выбора конфигурации обмотки индуктивного накопителя, обеспечивающей минимальное значение нормальной компоненты индукции и, как следствие, предельно допустимое значение критического тока высокотемпературных сверхпроводников.

Сильные магнитные поля изменяют работу трения в плазме

На этих изображениях показаны траектории электрона в плазме (синий цвет) и иона (красный цвет), проходящего через плазму. В (g) электрон стартует справа от траектории иона, тогда как в (h) он стартует слева. Исследователи обнаружили, что поскольку электроны в сильно намагниченной плазме ведут себя по-разному в зависимости от того, где они начинают движение относительно иона, они создают асимметричное сопротивление движущегося иона. Авторы и права: Луи Хосе, Группа теории плазмы, Мичиганский университет.

Группа исследователей плазмы из Мичиганского университета показала, что трение в плазме становится странным в присутствии очень сильных магнитных полей. Выводы могут повлиять на стратегии термоядерной энергии и разработку источников излучения.

Журнал Physics of Plasmas недавно выбрал открытие, изложенное в статье под названием «Кинетическая модель трения в сильно связанной сильно намагниченной плазме», в качестве выбора редактора. Скотт Баалруд, адъюнкт-профессор ядерной инженерии и радиологических наук в UM и старший автор исследования, объяснил, почему результат важен.

Зачем изучать влияние сильных магнитных полей на плазму?

Одним из самых захватывающих аспектов науки является исследование неизвестного. История науки дает множество примеров, показывающих, как изучение новых режимов — малых космических масштабов, высоких энергий, очень низких температур, очень высоких температур и т. д. — расширяет наше понимание природы, а также приводит к новым технологическим приложениям, которые стали возможными благодаря понимания этих новых режимов.

Плазма представляет собой скопление заряженных частиц, в которых часть электронов отделена от ядер их атомов. Многие из полезных применений плазмы, такие как термоядерная энергия и движение на основе плазмы, используют возможность управления свойствами плазмы путем приложения магнитных полей. Это возможно потому, что заряженные частицы движутся по спиральным траекториям в присутствии магнитного поля. Они рисуют в пространстве спиральные узоры, подобные форме нити ДНК.

Используют ли эти технологии сильно намагниченную плазму?

Плазма почти всегда слабо намагничена в том смысле, что радиусы спиралей, нарисованных частицами, намного больше масштаба взаимодействия частиц. Как следствие, практически вся теория плазмы основана на предположении, что плазма слабо намагничена. Однако создать сильно намагниченную плазму вполне возможно. Это захватывающий режим для изучения, потому что мы не знаем, чего ожидать. Все, что мы действительно знаем, это то, что наши нынешние теории здесь неприменимы и что плазма должна вести себя принципиально иначе.

Как вы исследовали плазму в сильных магнитных полях?

Используя комбинацию математики с карандашом и бумагой и суперкомпьютерного моделирования, Луи Хосе, аспирант в области ядерной инженерии и радиологических наук, и я разработали новую теорию для описания сильно намагниченной плазмы. Затем мы применили его для изучения фундаментального свойства любого вещества: трения. В частности, мы рассчитали силу, действующую на частицу при ее торможении в сильно намагниченной плазме. Наше типичное понимание, основанное на слабо намагниченной плазме, заключается в том, что трение противодействует скорости частицы, в результате чего радиус спирали, которую образует частица, становится меньше по мере того, как трение замедляет ее.

Новое открытие состоит в том, что трение также действует в направлениях, перпендикулярных направлению частицы, когда фоновая плазма сильно намагничена. Один из этих компонентов изменяет радиус спирального движения, включая неинтуитивное свойство, согласно которому трение может привести к увеличению спирали с течением времени при определенных условиях.

Другая составляющая влияет на частоту, с которой происходит спиральное движение. Оба эти эффекта возникают только при сильном намагничивании и являются принципиальным изменением поведения плазмы.

Почему так важно иметь эту новую модель?

Хотя наши симуляции за последние несколько лет показали некоторые из этих основных свойств, симуляции могут дать мало понимания того, почему или даже как возникают эти эффекты. Новая теоретическая модель позволяет нам понять физику, ответственную за поведение, наблюдаемое в симуляциях. Кроме того, моделирование требует большого количества вычислительных ресурсов. Мы можем моделировать только ограниченное количество свойств в ограниченном диапазоне условий.

Моделирование важно, потому что оно предоставляет базовые данные для проверки теории. Но теория позволяет нам моделировать поведение плазмы в экспериментальных условиях, а также позволяет вычислять свойства сильно намагниченной плазмы, которые не могут быть обеспечены моделированием.

Как ваши открытия могут быть использованы в реальном мире?

В первую очередь поисковые исследования. Поскольку сильное намагничивание меняет способ передачи частиц, тепла и импульса через плазму, его можно использовать для улучшения концепций термоядерной энергии, источников излучения или, что более вероятно, для изобретения чего-то, о чем мы еще не думали.

Дополнительная информация: Луи Хосе и др., Кинетическая модель трения в сильно связанной сильно намагниченной плазме, Physics of Plasmas (2021). DOI: 10.1063/5.0054552

Предоставлено университет Мичигана

Цитата : Сильные магнитные поля меняют работу трения в плазме (17 августа 2021 г.) получено 1 декабря 2022 г. с https://phys.org/news/2021-08-strong- Magnetic-fields-friction-plasma.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

Сильные магнитные поля обнаружены у большинства звезд

Звезды, подобные Солнцу, раздуваются и становятся красными гигантами к концу своей жизни. Красные гиганты («старые» Солнца) той же массы, что и Солнце, не обнаруживают сильных магнитных полей внутри себя, но у звезд чуть большей массы до 60 процентов имеют сильные магнитные поля. Предоставлено: Сиднейский университет.

У большинства звезд обнаружены сильные магнитные поля — открытие, которое повлияет на понимание звездной эволюции.

Международная группа астрономов во главе с Сиднейским университетом обнаружила, что сильные магнитные поля являются обычным явлением для звезд, а не редкостью, как считалось ранее, что существенно повлияет на наше понимание эволюции звезд.

Используя данные миссии НАСА «Кеплер», команда обнаружила, что звезды, лишь немногим более массивные, чем Солнце, имеют внутренние магнитные поля в 10 миллионов раз больше, чем у Земли, что имеет важные последствия для эволюции и окончательной судьбы звезд.

«Это чрезвычайно интересно и совершенно неожиданно», — сказал ведущий исследователь, астрофизик, доцент Деннис Стелло из Сиднейского университета.

«Поскольку ранее считалось, что только 5-0 процентов звезд содержат сильные магнитные поля, современные модели эволюции звезд не имеют магнитных полей в качестве фундаментального компонента», — сказал доцент Стелло. «Такие поля просто считались незначительными для нашего общего понимания звездной эволюции.

«Наш результат ясно показывает, что это предположение необходимо пересмотреть.»

Результаты опубликованы сегодня в журнале Nature .

Магнитные поля, наблюдаемые у красных гигантов, остались от более ранней фазы, когда в звездных ядрах происходила турбулентная конвекция, создающая «магнитное динамо». Магнитные поля присутствуют только у звезд более массивных, чем Солнце, потому что конвекция ядра происходит только у этих звезд. Предоставлено: Сиднейский университет.

Исследование основано на предыдущей работе, проведенной Калифорнийским технологическим институтом (Калифорнийский технологический институт) с участием доцента Стелло, которая обнаружила, что измерения звездных колебаний или звуковых волн внутри звезд могут использоваться для вывода о наличии сильных магнитных полей.

Это последнее исследование использовало этот результат для изучения большого количества эволюционировавших версий нашего Солнца, наблюдаемых Кеплером. Было обнаружено, что более 700 из этих так называемых красных гигантов демонстрируют сильные магнитные поля, причем некоторые колебания подавляются силой полей.

«Поскольку наша выборка настолько велика, мы смогли углубиться в анализ и сделать вывод, что сильные магнитные поля очень распространены среди звезд, масса которых примерно в 1,5–2,0 раза больше массы Солнца», — пояснил доцент Стелло. .

«В прошлом мы могли измерять только то, что происходит на поверхности звезд, и результаты интерпретировались как показывающие редкость магнитных полей.»

Используя новый метод, называемый астеросейсмологией, который может «проникать сквозь поверхность» звезды, астрономы теперь могут увидеть присутствие очень сильного магнитного поля вблизи звездного ядра, в котором находится центральный двигатель ядерного горения звезды. Это важно, потому что магнитные поля могут изменять физические процессы, происходящие в ядре, включая скорость внутреннего вращения, что влияет на старение звезд.

Большинство звезд, подобных Солнцу, постоянно колеблются из-за звуковых волн, отражающихся внутри них. «Их интерьер, по сути, звенит, как колокол». — сказал доцент Стелло. «И подобно колокольчику или музыкальному инструменту, звук, который они издают, может раскрывать их физические свойства».

Команда измерила крошечные изменения яркости звезд, вызванные звенящим звуком, и обнаружила, что определенные частоты колебаний отсутствуют у 60 процентов звезд, поскольку они подавляются сильными магнитными полями в звездных ядрах.

Полученные результаты позволят ученым более непосредственно проверить теории о том, как формируются и развиваются магнитные поля — процесс, известный как магнитное динамо, — внутри звезд. Это потенциально могло бы привести к лучшему общему пониманию магнитных динамо-машин, включая динамо-машину, контролирующую 22-летний магнитный цикл Солнца, который, как известно, влияет на системы связи и облачный покров на Земле.