Горький электромагнит

Электромагнит Биттера или соленоид Биттера — это тип электромагнита, изобретенный в 1933 году американским физиком Фрэнсисом Биттером и используемый в научных исследованиях для создания чрезвычайно сильных магнитных полей . Горькие электромагниты использовались для создания самых сильных непрерывных искусственных магнитных полей на Земле — до 45 Тесла по состоянию на 2011 год. ^[update]. ^[2]

История

Конструкция была изобретена в 1933 году американским физиком Фрэнсисом Биттером и названа в его честь.

Характеристики

Электромагниты Биттера используются там, где требуются чрезвычайно сильные поля. Железные сердечники, используемые в обычных электромагнитах , насыщаются и ограничиваются полями около 2 Тл. Сверхпроводящие электромагниты могут создавать более сильные магнитные поля, но их сила ограничена полями от 10 до 20 Тесла из-за ползучести потока , хотя теоретические пределы выше. Для более сильных полей используются резистивные соленоидные электромагниты конструкции Биттера. Их недостатком является то, что они требуют очень высоких токов возбуждения и рассеивают большое количество тепла.

Строительство

Магниты Биттера состоят из круглых проводящих металлических пластин (известных как пластины Биттера ) и изолирующих прокладок, уложенных по спирали , а не витков проволоки. Ток течет по спирали через пластины. Целью конструкции многослойных пластин является выдерживание огромного внешнего механического давления, создаваемого силами Лоренца из-за магнитного поля, действующего на движущиеся электрические заряды в пластине, которые увеличиваются пропорционально квадрату напряженности магнитного поля. Кроме того, вода циркулирует через отверстия в пластинах в качестве охлаждающей жидкости , унося огромное тепло, создаваемое в пластинах из-за резистивного нагрева сильными токами, протекающими через них. Тепловыделение также увеличивается пропорционально квадрату напряженности магнитного поля.

В середине 1990-х годов исследователи из Национальной лаборатории сильных магнитных полей (NHMFL) Университета штата Флорида в Таллахасси усовершенствовали эту базовую конструкцию и создали то, что они называют « Флоридским биттером» . ^[3]^[4]^[5] Удлинение монтажных и охлаждающих отверстий позволяет существенно снизить напряжения, возникающие в системе, и повысить эффективность охлаждения. По мере того, как напряжения в оригинальных пластинах для горького напитка возрастали, они слегка изгибались, вызывая смещение маленьких круглых отверстий охлаждения, что снижало эффективность системы охлаждения. Пластины Florida Bitter будут меньше изгибаться из-за уменьшенных напряжений, а удлиненные отверстия для охлаждения всегда будут частично совмещены, несмотря на любой изгиб, который испытывают диски. Эта новая конструкция позволила повысить эффективность на 40% и стала предпочтительной конструкцией для резистивных магнитов на основе пластин Биттера.

Плотность тока и плотность магнитного потока

В отличие от медного провода, плотность тока диска с током не одинакова по площади его поперечного сечения, а вместо этого является функцией отношения внутреннего диаметра диска к произвольному радиусу внутри диска. Следствием этого соотношения является то, что плотность тока уменьшается с увеличением радиуса. Таким образом, основная часть тока течет ближе к внутреннему радиусу диска. Большие диски (т.е. диски с большой разницей между внутренним и внешним радиусом) будут иметь большую разницу в плотности тока между внутренней и внешней частями диска. Это снизит эффективность и вызовет дополнительные осложнения в системе, поскольку вдоль диска будет более существенный градиент температуры и напряжений. Таким образом, часто используется серия вложенных катушек, поскольку она более равномерно распределяет ток по большой общей площади, в отличие от одной катушки с большими дисками.

Неоднородную плотность тока также необходимо учитывать при расчете плотности магнитного потока. Закон Ампера для основной проволочной петли с током гласит, что магнитный поток на оси пропорционален току, протекающему через провод, и связан с основной геометрией петли, но не касается геометрии поперечного сечения провода. провод. Плотность тока одинакова по площади поперечного сечения провода. Это не относится к диску Bitter. Таким образом, текущий термин должен быть заменен терминами, обсуждающими площадь поперечного сечения диска и плотность тока. В результате уравнение для осевой плотности магнитного потока диска Биттера становится намного более сложным.

Дифференциальная плотность потока связана с плотностью тока и дифференциальной площадью. Необходимо учитывать фактор пространства , чтобы компенсировать различия в диске, связанные с охлаждением и монтажными отверстиями.

Рекорды

Самые сильные непрерывные магнитные поля на Земле были созданы магнитами Биттера. Самое сильное непрерывное поле, достигнутое исключительно с помощью резистивного магнита, по состоянию на 22 августа 2017 г. составляло 41,5 Тесла. ^[update], произведенный электромагнитом Биттера в Национальной лаборатории сильных магнитных полей в Таллахасси , Флорида . ^[6] ^[7]

По состоянию на 31 марта 2014 г. ^[update] Самое сильное непрерывное поле, создаваемое магнитом комнатной температуры, составляет 37,5 Тл, создаваемое электромагнитом Биттера в Университета Радбауд Лаборатории магнитов сильного поля в Неймегене , Нидерланды . ^[8]

Сильнейшее непрерывное искусственное магнитное поле, 45 Тл, было создано гибридным устройством, состоящим из магнита Биттера внутри сверхпроводящего магнита . ^[2] Резистивный магнит вырабатывает 33,5 Тл, а сверхпроводящая катушка вырабатывает оставшиеся 11,5 Тл. Первому магниту требуется мощность 30 МВт, второму необходимо поддерживать температуру 1,8 К (-456,43 ° F) с использованием жидкого гелия, а для охлаждения требуется 6 недель. Полная работа стоит 1452 доллара в час. В 2019 году еще один частично сверхпроводящий электромагнит установил мировой рекорд по статическому магнитному полю постоянного тока: 45,5 Тл. ^[9]

См. также

Сверхпроводящий магнит

Ссылки

^ «Плавающая лягушка» . Ютуб .
^ Jump up to: ^а ^б Койн, Кристин (2008). «Магниты: от Мини до Могучего» . Магнитная лаборатория У. Национальная лаборатория сильных магнитных полей. Архивировано из оригинала 21 декабря 2014 г. Проверено 31 августа 2008 г.
^ Берд, доктор медицины; Диксон, ИК; Тот, Дж. (1 июня 2004 г.). «Дизайн нового поколения магнитов Флориды-Биттер в НХМФЛ» . Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 14 (2): 1253–1256. дои : 10.1109/TASC.2004.830545 . ISSN 1051-8223 .
^ Бёрд, Марк Д. (1 августа 2004 г.). «Технология резистивного магнита для гибридных вставок» . Сверхпроводниковая наука и технология . 17 (8): С19–С33. дои : 10.1088/0953-2048/17/8/R01 . ISSN 0953-2048 .
^ Лаборатория Национального сильного магнитного поля. «Изготовление резистивных магнитов — МагЛаб» . Nationalmaglab.org . Проверено 13 июня 2024 г.
^ «MagLab восстанавливает рекорд самого сильного резистивного магнита» . Национальная лаборатория сильных магнитных полей. 22 августа 2017 года . Проверено 14 мая 2023 г.
^ Тот, Дж.; Боле, ST (апрель 2018 г.). « Проектирование, изготовление и первые испытания полностью резистивного магнита на 41,5 Тл в NHMFL в Таллахасси » . Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 28 (3). IEEE: 1–4. дои : 10.1109/TASC.2017.2775578 . S2CID 7923594 .
^ «HFML устанавливает мировой рекорд с новым магнитом на 37,5 тесла» . Лаборатория сильнополевых магнитов. 31 марта 2014 г. Архивировано из оригинала 4 сентября 2015 г. Проверено 21 мая 2014 г.
^ «Магнит устанавливает мировой рекорд в 45,5 тесла» . 17 июня 2019 г.

Внешние ссылки

Страница проектов магнитов Национальной лаборатории сильных магнитных полей. Архивировано 18 мая 2011 г. в Wayback Machine в Университете штата Флорида.
Магниты в лаборатории сильнопольных магнитов Неймегена. Архивировано 14 февраля 2019 г. в Wayback Machine.
Лягушка, которая научилась летать. Архивировано 27 августа 2013 г. в Wayback Machine и шарик воды внутри соленоида Биттера в Лаборатории сильнополевых магнитов.
Схемы и описание. Архивировано 23 апреля 2018 г. на Wayback Machine соленоида Bitter, использованного в демонстрации левитации лягушки.
Конструкция горького магнита: горький магнит NHMFL и университетский горький соленоид, связанный с радиацией.

[1] «Плавающая лягушка» . Ютуб .

[MagnetLabU-2] Jump up to: ^а ^б Койн, Кристин (2008). «Магниты: от Мини до Могучего» . Магнитная лаборатория У. Национальная лаборатория сильных магнитных полей. Архивировано из оригинала 21 декабря 2014 г. Проверено 31 августа 2008 г.

[3] Берд, доктор медицины; Диксон, ИК; Тот, Дж. (1 июня 2004 г.). «Дизайн нового поколения магнитов Флориды-Биттер в НХМФЛ» . Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 14 (2): 1253–1256. дои : 10.1109/TASC.2004.830545 . ISSN 1051-8223 .

[4] Бёрд, Марк Д. (1 августа 2004 г.). «Технология резистивного магнита для гибридных вставок» . Сверхпроводниковая наука и технология . 17 (8): С19–С33. дои : 10.1088/0953-2048/17/8/R01 . ISSN 0953-2048 .

[5] Лаборатория Национального сильного магнитного поля. «Изготовление резистивных магнитов — МагЛаб» . Nationalmaglab.org . Проверено 13 июня 2024 г.

[NHMFL_record-6] «MagLab восстанавливает рекорд самого сильного резистивного магнита» . Национальная лаборатория сильных магнитных полей. 22 августа 2017 года . Проверено 14 мая 2023 г.

[NHMFL_Design_and_Testing_41.5T-7] Тот, Дж.; Боле, ST (апрель 2018 г.). « Проектирование, изготовление и первые испытания полностью резистивного магнита на 41,5 Тл в NHMFL в Таллахасси » . Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 28 (3). IEEE: 1–4. дои : 10.1109/TASC.2017.2775578 . S2CID 7923594 .

[Dutch_record-8] «HFML устанавливает мировой рекорд с новым магнитом на 37,5 тесла» . Лаборатория сильнополевых магнитов. 31 марта 2014 г. Архивировано из оригинала 4 сентября 2015 г. Проверено 21 мая 2014 г.

[9] «Магнит устанавливает мировой рекорд в 45,5 тесла» . 17 июня 2019 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]