Электромагниты до сих пор не утратили своего значения и широко применяются в науке и технике. Это связано со сравнительной простотой и дешевизной получения стационарных постоянных полей, пригодных для многих научных задач.
Рассмотрим простейшее устройство: многовитковую и многослойную катушку, намотанную на круглый сердечник, выполненный в виде замкнутого кольца. Положим, что размеры сечения ферромагнетика существенно меньше размеров кольца. По катушке течет ток I. Он создает поле  , где n - плотность числа витков обмотки на 1 см. Это поле наводит в ферромагнетике дополнительное поле Нф . Суммарное поле (магнитная индукция) В = Н + Нф .
Для качественного описания работы электромагнита можно допустить, что до некоторого значения H = Ннас величина Нф существенно и линейно зависит от Н, а в больших полях практически не зависит от него (ферромагнетик насыщается). Тогда при Н < Hнас <  , где  - магнитная проницаемость. Видно, что в полях соленоида, больших Ннас , прирост магнитного поля В возможен лишь за счет поля соленоида.
Практически для технически чистого железа (мягкие стали) величина  , а  около 2*104 Э. Ряд сплавов обладает несколько большим значением Внас . Так, пермендюр (сплав 50% Fe + 50% Co) имеет Внас = 2,4*104 Э. Еще большее значение  Э имеет поликристаллический диспрозий, но он редко применяется, так как ферромагнитные свойства проявляются в нем ниже комнатных температур. Поэтому основным материалом для изготовления электромагнитов является железо.
Для того чтобы использовать поле В, необходимо ферромагнетик разомкнуть. Тогда поле Н0 в образовавшемся пространстве щели, если расстояние d между торцами  (где D - диаметр сечения щели), будет совпадать с В,  . При увеличении d величина Н0 будет уменьшаться из-за неизбежного рассеяния магнитного потока в пространстве. В общем случае Н0 < B < Bнас.
Практически электромагниты делают из двух железных цилиндров (полюса) радиуса r, на которые насажены короткие катушки; максимальное поле катушек обычно не превышает 500-1000 Э. Полюсы плотно вставляются в железное ярмо, замыкающее магнитный поток. Между оставшимися свободными торцами, расстояние между которыми d, образуется межполюсное рабочее пространство с размерами d, 2r (рис. 1а). Максимальное поле в нем достигается в центре и дается выражением
 , | (1) |
где Вср - некоторое усредненное по поверхности торцов поле, Вср < В < Bнас .
 |
| Рис. 1. а - Схема электромагнита: к - катушки, п - полюсы, я - ярмо. б - Конусные полюсные наконечники. |
На первый взгляд кажется, что получить поле Н0 , большее Внас , варьируя d и r, нельзя. Это действительно так для рассмотренной формы полюсов и их окончаний в межполюсном пространстве (полюсные наконечники). В общем случае за счет другой формы полюсов и особенно формы полюсных наконечников поле Н0 может существенно превосходить поле Внас . Практически это может происходить лишь за счет наращивания массы железа.
Рассмотрим частный случай полюсов и полюсных наконечников, изображенных на рис. 1б. Точное выражение для этого случая:
 | (2) |
Здесь третий член представляет дополнительный вклад в Н0 от того объема полюсов, который образуют конусные поверхности полюсных наконечников. Именно конусность позволяет послать дополнительные силовые линии в центр межполюсного пространства. Третий член при определенном угле  достигает максимума. Его значение примерно  . Поэтому часто полюсные наконечники выполняются в виде усеченных конусов с углом раствора порядка  - . Размер r1 определяет объем межполюсного пространства, в то время как r2 - объем всего магнита, так как площадь сечения ярма не может быть меньше, чем у полюсов. Увеличивая r2 , то есть наращивая объем железа, можно увеличить Н0 и превысить значение Внас . Но зависимость Н0 от r2 довольно слабая, что приводит к практическим ограничениям (приемлемые размеры и вес) достижения больших полей с помощью электромагнитов.
Рекордные величины Н0 были получены на двух электромагнитах. Один из них был сконструирован в начале 30-х годов нашего столетия в Парижской Академии наук. Его общий вес (главным образом железа) около 150 тонн, габариты 6*3*2 м3, потребляемая мощность 100 кВт. В центре межполюсного пространства (r1 = 1 см, d = 1 см) он давал поле Н0 = 6,5*104 Э. Другой магнит был сконструирован в Университете г. Упсала (Швеция) в 1934 году. Его общий вес - 37 тонн. За счет лучшей формы полюсов, а также ярма - толстостенного цилиндра, внутри которого размещались полюсы и катушки, при меньшем весе удалось получить бОльшее поле Н0 = 7,5*104 Э в таком же объеме, что и у первого магнита. Рядовые же лабораторные электромагниты дают возможность получать максимальные поля до 3*104 Э, потребляя при этом скромную мощность в 1-5 кВт.
Любопытно отметить, что самым грандиозным из электромагнитов (а может быть, вообще изделий из железа) является магнит синхрофазотрона Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Вес его ярма - 30 тыс. тонн. В тороидальном объеме межполюсного пространства (диаметр кольца 150 м и диаметр сечения около 2 м) он создает поле порядка 2*104 Э.
Назад | Вперед
Написать комментарий
|
